JP5285871B2 - 気体動圧軸受機構、及びそれを備えたモータ - Google Patents

Description

この発明は、回転軸と固定部材との軸受隙間に気体動圧を発生させて、回転軸と固定部材との相対的な回転運動を滑らかに行わせる気体動圧軸受機構、及びそれを備えたモータに関する。特に、周囲湿度の高い環境下で、回転によって生ずる動圧の圧力変化によって、上記の軸受隙間中に結露することがあるが、簡単なへリングボーン溝の構成でその結露を防止して、滑らかな回転運動を得る技術に係る。

近年における情報関連機器の発達とともに、レーザスキャナや複写機には文字や画像をより高速かつ高密度に印字することが求められている。このような高速・高密度化には、レーザを走査するポリゴンミラーの高速、且つ安定な回転が必要になる。現在のレーザスキャナ用軸受には、剛性や高速でのホワール（ＨＦＷ）に対する安定性の観点から、ヘリングボーン（以下、適宜、「ＨＢ」と略記する）溝付の気体動圧軸受機構が使用される場合が多い。

しかし、従来のへリングボーン溝付の気体動圧軸受機構２００は、図１８（ａ）に示すように、一般的に、へリングボーン溝２１０ａが固定側の固定シャフト２１０に形成され、回転側の回転スリーブ２２０が回転するようになっており、図１８（ｂ）に示すように、多数本のへリングボーン溝２１０ａが複雑に形成された形状であるために、製作コストが高くなるという欠点があり、より単純な溝形状で、かつ低コストで製作できる気体動圧軸受機構が求められていた。特に、レーザスキャナ用軸受機構では、回転数が５０ｋｒｐｍ（５００００回転／分）を超えるものも開発されている。しかし、このような気体動圧軸受機構では、性能向上とともに生産コストの低下も強く求められていることから、従来、多数本のへリングボーン溝を用いていたので、生産コストの点で問題があった。

一方、ポンプインし軸受内の気体の圧力を高めることにより剛性と安定性とを得る気体動圧軸受機構は、特に高温・多湿環境下では気体中の水蒸気が回転による動圧の変動によって等温圧縮に近い状態で圧縮（以下、「等温圧縮」という。）することにより結露して液状となるため、本来、軸受を構成する軸受隙間内は気体を潤滑媒体とするはずのところ、この等温圧縮により結露した液体が潤滑膜となってしまいやすい。

軸受表面（図１８（ａ）の固定シャフト２１０の外周面および回転スリーブ２２０の内周面）と潤滑媒体との間に働くせん断力τは、回転軸の周速度をｕ、隙間間隔をｈとすると、τ＝μ×ｄｕ／ｄｈで示される。ここで、μは潤滑媒体の粘性係数であり、このμの値は、液体では気体の１０００倍以上である。すなわち、軸受内の潤滑媒体が気体のときよりも液体である場合の方が１０００倍以上のせん断力を発生する。このため、前記結露し液状になると、軸受表面には通常の潤滑媒体が気体であるときの１０００倍以上のせん断力が発生するため、軸受の摩擦損失が１０００倍以上となる他に、この大きなせん断力により軸受表面が破損・剥離し、このときに発生した軸受表面の剥離分は軸受隙間を埋めてしまい、気体動圧軸受機構がロックするといった問題がある。

そこで、調べてみると、へリングボーン溝の数（間隔）で交互に変化する動圧の極大圧力値と極小圧力値との比がへリングボーン溝の数（間隔）に応じて変化し、その動圧発生の溝数が少ないほど極小圧力値が下がることが、そして、その数が少なくても回転の安定性が確保できることが見出された。

例えば、図１９は、へリングボーン溝２１０ａが３対６本（固定シャフト２１０の軸方向の端部のそれぞれに３本のみぞが軸方向の中心に対して対象に配置された、計６本の溝）の場合で、横軸が固定シャフト２１０の円周方向の位置を示し、縦軸が圧力の強さを示し、実線がある任意の時間Ｔにおける圧力分布を示す図である。これを横軸が星印の位置で、時間Ｔから時間Ｔ＋Δｔまで圧力の変化を定点観測してみると、圧力の極大圧力値と極小圧力値とが交互に連続して変化するのがわかる。そして、時間Ｔでは、極大圧力値を示す圧力によって蒸気が結露し液体粒子（星印）となるが、極小圧力値を示す時間（Ｔ＋Δｔ）では、急激な圧力の低下により結露は解消され、液体粒子は再び気化する。

図２０は、へリングボーン溝２１０ａが１５対３０本の例で、他は図１９と同じ座標である。図２０では、図１９に比べ、極小圧力値と極大圧力値との差が縮まり、圧力の分布が全体として高圧側に移動している。したがって、図２０の時間Ｔでは、圧力は極大圧力値で蒸気が結露し液体粒子（星印）となっているが、これは時間（Ｔ＋Δｔ）になっても、極小圧力値自体が高くほとんど低下しないため、液体粒子はほとんど気化せず液体粒子（星印）のまま残る傾向にある。

そして、図２０で回転による等温圧縮により結露した液体粒子は、図２１に示すように、円周方向に移動しながら次第に大きな粒径となり、液体膜を生じて液体のせん断力により固定シャフト２１０の表面が破損・剥離し、このときに発生した固定シャフト２１０の表面の剥離分が軸受隙間を埋め、気体動圧軸受機構２００がロックするという障害を発生させることになる。しかし、上記したように、図１９では、このような障害を防止できる。

そのためには、図１９のように極小圧力値は結露が生じる圧力以下の値になる必要であり、そのためには、へリングボーン溝２１０ａは少ない方がよいことが理解できる。

この発明の目的は、上記の調査の結果を受けて、例え、動圧が極大圧力値で結露しても次に到来する動圧の極小圧力値でその結露を防止或いは結露を解消する圧力値の範囲に入る溝構成を採用することにより、簡易な構成で、結露から液体に変化することを防止できる気体動圧軸受機構、及びそれを備えるモータを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、回転軸と、該回転軸の面と所定の軸受隙間を置いて相対する面を有する固定部材と、該回転軸の面にその回転方向に等間隔に配置された複数Ｎ本の溝で構成され前記軸受隙間に回転したときに動圧を発生させるヘリングボーン溝と、を含む気体動圧軸受機構であって、 前記へリングボーン溝を構成する複数Ｎ本の溝は、前記回転軸の軸方向の一端部の縁を一端とし該回転軸の軸方向の中央に向けて所定吸入角β（０＜β≦９０度）で、前記溝の軸方向の長さと該回転軸の軸径との比がα（０．２＜α＜０．８）で設けられており、さらに、前記溝は、ほぼ周囲湿度６０％ＲＨの環境下で前記回転軸がＭ（４０＜Ｍ≦６０：単位ｋｒｐｍ）の回転数で回転したときに発生する前記軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、前記極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が、結露する圧力値１．７ａｔｍ以下となる間隔になる本数Ｎで構成されることを特徴とする気体動圧軸受機構である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気体動圧軸受機構であって、前記Ｎは、３〜５のいずれかの整数であることを特徴とする請求項１に記載の気体動圧軸受機構である。

請求項３に記載の発明は、回転軸と、該回転軸の面と所定の軸受隙間を置いて相対する面を有する固定部材と、該回転軸の面にその回転方向に等間隔に配置された本数Ｎ本の溝で構成され前記軸受隙間に回転したときに動圧を発生させるヘリングボーン溝とを含む気体動圧軸受機構を有し、前記回転軸に取り付けられる、レーザ光を走査する走査部材、又は風を吹き付けるファンを回転させるために利用されるモータであって、前記へリングボーン溝は、本数Ｎ本の溝からなり、各該溝は、前記回転軸の軸方向の一端部の縁を一端とし該回転軸の軸方向の中央に向けて吸入角βが約３０度で、前記該溝の軸方向の長さと該回転軸の軸径との比αがほぼ０．２〜０．８の範囲に設けられ、さらに、前記溝の本数Ｎは、ほぼ、周囲温度が６０℃以下、周囲湿度６０％ＲＨの環境下で前記回転軸がＭ（４０＜Ｍ≦６０：単位ｋｒｐｍ）の回転数で回転したときに発生する前記軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、前記極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が１．７ａｔｍ以下となる間隔になる数で構成されることを特徴とするモータである。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のモータであって、前記円周方向に等間隔で配置された前記各溝の該円周方向の長さの合計が、前記回転軸の円周の長さより短くされていることを特徴とするモータである。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載のモータであって、前記Ｎは、３〜５のいずれかの整数であることを特徴とするモータである。

この発明によると、軸受隙間に発生する気体の圧力分布が高速で移動するように回転軸にへリングボーン溝を設け、ヘリングボーン溝は、回転軸が回転したときに発生する軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が結露する圧力値より低い圧力値となる間隔になる本数Ｎで構成されるので、等温圧縮により結露した液体粒子が液体膜になる前に減圧により再び気化するので液体膜が形成されないという効果がある。このため、等温圧縮により結露した液体のせん断力により軸受表面が破損・剥離し、このときに発生した軸受表面の剥離分が軸受隙間を埋めてしまい、軸受がロックするといった問題が生じることが回避される信頼性の高い気体動圧軸受機構、及びそれを備えるモータができた。

本発明は、結露をしない、或いは結露をしても結露が解除される構造の軸受機構及びそれを用いたモータを提供するものである。そこで、実施形態を説明する前に図８を基に結露する圧力等の環境（条件）について説明する。図８は、上記の図１９及び図２０で示される圧力と結露の傾向を把握する情報として取得したものである。図８は、等温圧縮した場合に結露を発生する圧力を調査したものである。結露発生圧力Ｐｃ（ｈＰａ）は、ほぼ１００×Ｐｏ／Ｕ（ｈＰａ）となる。ただし、Ｐｏは標準大気圧（１０１３ｈＰａ）、Ｕは相対湿度（％ＲＨ）を示す。断熱圧縮の場合、内部温度が上昇し、飽和水蒸気圧が上昇し、水蒸気圧が上昇する。ただし、飽和水蒸気圧＞水蒸気圧となり、結露は発生しない、と考えられる。したがって、等温圧縮状態で、結露をしないよう状態にすることが重要である。
図８から、使用状態における相対湿度ＲＨ＝６０％では、結露発生圧力が約１．７ａｔｍである。したがって、これを一時的にせよこの圧力を下回る状態を作り出すことが必要である。

以下、この発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、この発明に係る気体動圧軸受機構１の実施例１の模擬的な構造を示す。へリングボーン溝付の気体動圧軸受機構には溝付きでない部材が固定される平滑部材回転型と、溝付き部材が回転する溝付部材回転型とがある。本実施例１に係る気体動圧軸受機構１は、溝付部材回転型である。詳しくは、本実施例１に係る気体動圧軸受機構１は、図１（ａ）に示すように、外周面にヘリングボーン溝１０ａが形成された回転シャフト１０（回転軸）が回転し、円筒状の構成を有しその円筒内部に回転シャフト１０の外周面を軸受け用の隙間を置いて包み込む固定スリーブ２０（固定部材）であって、へリングボーン溝なし部材である固定スリーブ２０が固定されるようになっている。回転シャフト１０の外周面には、図１（ｂ）の展開図（回転シャフト１０を平面上に展開した図であって、図１（ｂ）の上下方向が図１（ａ）の軸方向である。）に示すように、回転シャフト１０の軸方向の一端部に（片側に）そこを一端とし溝角度βｇで斜めに配置された軸方向に長さｌｇの溝を３本、更に軸方向の中心部（図１（ｂ）の軸長Ｌの１／２の付近）を挟み対象に３本の計６本のヘリングボーン溝１０ａが形成されている。これは本数が少ない単純な溝形状であるので、低コストで製作できる。換言すれば、回転シャフト１０の軸方向の両端部の外周面に軸方向の溝長さがｌgのヘリングボーン溝１０ａを３対６本有し、ヘリングボーン溝１０ａによるポンピング効果により無偏心状態においても軸受内部圧力は周囲圧力よりも高く、十分な、剛性および高速安定性を得られる。

本実施例１に係る気体動圧軸受機構１は、回転シャフト１０と、回転シャフト１０を支持する固定スリーブ２０との軸受隙間にヘリングボーン溝１０ａにより気体を流し込んで回転シャフト１０の回転運動を滑らかにさせる気体動圧軸受機構であって、回転シャフト１０の回転によって生ずる等温圧縮により結露した液体粒子が累積し液体膜になる前に減圧により再び気化して液体膜が形成されないように、回転シャフト１０の端部にその円周方向に配置されているヘリングボーン溝１０ａ間の円周方向距離を離すようにしたものである。そのための条件としては、溝の本数と形状とがある。実施例１は、片側、最小の数として３本を採用し、且つ等間隔には配置している。

以下、ヘリングボーン溝１０ａの形成が容易にできる気体動圧軸受機構１として溝本数を少なくした３対６本のヘリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１をモータに採用し、そのモータの回転シャフト１０に取り付けられるレーザスキャナ用のポリゴンミラーを回転させるのに十分に使用できる軸受として提案し、数値計算と実験により、その静的特性および高速安定性を明らかにする。

図２は、図１の気体動圧軸受機構１を試験する実験装置の概略主要部を示す。図２の実験装置では、回転シャフト１０を１つの固定スリーブ２０で支持している。図２中、動圧スラスト軸受５１，５２は、回転シャフト１０を図２の縦方向から支える軸受け機構であり、タービンノズル５３，５４は気体の流入口、隙間プローブ３５は回転シャフト１０の外周面と固定スリーブ２０の内周面との間の軸受隙間ｈを測定するためのプローブを示す。図２で軸受けの試験を行うとともに、シミュレーションを行った。それに用いた固定スリーブ２０および回転シャフト１０の軸受諸元を表１に示す。表１における溝は、ヘリングボーン溝１０ａのことを示す。なお、軸受隙間ｈの変更は、直径の異なる回転シャフト１０を使用することで行った。

表１の主な諸元に用いられる符号は、図１（ａ）（ｂ）に用いられる符号と一致するものは同一事項を意味する。表１における溝は、ヘリングボーン溝１０ａを表す。軸受隙間ｈは、回転シャフト１０の外周面と固定スリーブ２０の内周面の隙間間隔である。溝本数ｎｇは、ヘリングボーン溝１０ａの本数で、回転シャフト１０の軸方向の両端部に対称的に配置された場合に対で１本として数える。例えば、図１（ｂ）に示す場合は、ｎｇ＝３本である。溝角度βｇ（吸入角度とも呼ばれる。）は、ヘリングボーン溝１０ａの回転シャフト１０の円周方向の線と交叉する角度である。溝幅比は、表示１のようにヘリングボーン溝１０ａの円周方向の長さｂｒ及びヘリングボーン溝１０ａの円周方向の幅ｂｇにより求められる。

次に、表１の緒元を基に軸受シミュレーション（実験）を行って圧力分布を求め、それを考察する。なお、軸受シミュレーションでは、表１の緒元を基に、ヘリングボーン溝本数ｎｇ等の条件を変更して求めるとともに、回転数等の条件とも加えて求めている。

軸受けシミュレーションでは、粘性流体におけるナビエ・ストークスの方程式を元に、次条件を参酌して求めた。
（１）軸受内（軸受隙間ｈの空間を表す。）の他方向（軸受隙間ｈの空間のｘ，ｙ方向）に比べ隙間方向（ｚ方向）が十分小さく２次元として扱える、
（２）軸受内の気体の流れが完全に発達した境界層の流れである、
（３）気体に作用する力は、圧力勾配による力と粘性力とし、慣性力は無視し、さらに粘性力はせん断力のみで他は無視する、
の条件にて導き出されたレイノルズ方程式である軸受シミュレーションの基本方程式（数１）により計算し求めた圧力である。

ここで、ｘ，ｙは隙間間隔ｈを展開した２次元座標、ρは気体の密度、ｐは圧力、ｈは隙間間隔、μは気体の粘性係数、Ｕは気体の流速、ｔは時間である。

静特性の計算では、微小格子において質量流量連続条件を仮定し、境界適合法を用いたダイバージェンス・フォーミュレーション法により計算を行った。これにより、溝本数の影響を考慮することができる。求まった軸受内圧力分布を積分することにより、回転シャフト１０が偏心率εのときの負荷容量ｗが求まる。ただし、無次元負荷容量Ｗは、Ｗ＝ｗ／ｐ_ａＬＤである。ここで、ｐ_ａは、周囲圧力である。

図３に、へリングボーン溝１０ａ（以下、「ヘリングボーン」を「ＨＢ」と言うことがある。）付軸受および真円軸受の無次元負荷容量Ｗの数値計算による比較を示す。基本的な軸受諸元は表１のとおりである。図３より、ＨＢ軸受は真円軸受と比較し、軸受定数Λが大きくなるのに比例して高い無次元負荷容量Ｗを得ることがわかる。また、表１に示した軸受諸元においては、ＨＢ溝本数ｎｇ＝３と１２の違いによる無次元負荷容量Ｗの差は小さいと言える。

図４に、３対６本のへリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１の隙間間隔ｈが５．５μｍにおける偏心率εと、無次元負荷容量Ｗの実験結果（図４の「ＥｘＰ」）と数値計算（図４の「ＣＡＬ」）との比較を示す。実験では、図２に示した実験装置を傾けることにより軸受方向ヘの荷重を発生させている。また、このときの回転シャフト１０の変位を非接触式変位計により測定することで荷重に対する回転シャフト１０の偏心率εを求めた。図４から実験結果と計算結果とが良い一致を示していることがわかる。

安定性の計算には、角変位および平行変位を考慮した運動方程式を適用し、非線形軌道法を用いて軸心軌跡を求めた。

非線形軌道法では、回転シャフト１０の軸心軌跡が軸受中心ヘと収束していく場合を安定、反対に軸受中心から離れて行く場合を不安定と判断する。さらに、回転シャフト１０は、高速回転ではホワール（ＨＦＷ）と呼ばれる振れ回りによる不安定状態を生ずる。

図５に、表１に示した軸受諸元の数値計算による軸心Ｘ方向変位を示す。図５は、隙間間隔ｈが７．５μｍ、軸回転数が２０ｋｒｐｍの場合のＺ＝０（軸受中心）とＺ＝Ｌ／２（軸受端部）における軸心Ｘ方向変位を示す。図５を参照すると、回転シャフト１０の変位は軸受中心よりも軸受端部の方が大きく、角変位をともなう円錐モードであることがわかる。

図６には、表１に示した軸受諸元において非線形軌道法により計算した回転シャフト１０の軸心軌跡を示す。図６（ａ）は回転シャフト１０が安定状態の場合であり、軸心軌跡が軸受中心ヘと収束する。反対に、図６（ｂ）は不安定状態の場合であり、軸心軌跡は軸受中心から外側へと大きくなって行く。図５に示したように角変位をともなう円錐モードでの振れ回りは、軸受中心よりも軸受端部の方が大きい。このことから、本実施例１における回転シャフト１０の安定判別には軸受端部の軸心軌跡を用いた。

図７は、表１（提案する軸受けの一つとしてＨＢ溝本数ｎｇ＝３本）に示した固定スリーブ２０と回転シャフト１０における安定性の実験と数値計算結果とを示す。実験における安定限界速度Ｖはホワール（ＨＦＷ）の発生する直前とした。また、実験は無偏心状態とするために、回転シャフト１０を垂直に設置した。実験結果（図７の「ＥｘＰ」）と計算結果（図７の「ＣＡＬ」）とは良い一致を示しており、隙間間隔ｈが小さくなるほど安定限界速度Ｖが高くなることがわかる。また、実際のレーザスキャナに用いられる回転体の質量は３０g程度と実験に用いた回転シャフト１０より軽い。このことより、３対６本のへリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１は十分な高速安定性を持つといえる。

さらに、図７には、表１に示した軸受諸元においてＨＢ溝本数ｎｇを１２本とした気体動圧軸受機構の数値計算により求めた安定限界速度Ｖも示す。図７より、表１に示した軸受諸元ではＨＢ溝本数の違いによる安定限界速度Ｖの違いはわずかであることがわかる。

本実施例１では、３対６本のへリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１の静的特性および高速安定性を実験的および数値的に明らかにした。その結果、以下のことが示された。

（１）３対６本のへリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１は、実験および数値計算から、非常に高い無次元負荷容量Ｗを得ることがわかった。また、その無次元負荷容量Ｗは多数本のへリングボーン溝付の気体動圧軸受機構との差が小さく、レーザスキャナ用軸受として十分な性能であることがわかった。

（２）本実施例１で示した条件では、３対６本のへリングボーン溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１の安定限界速度Ｖは隙間間隔ｈが３.５μｍにおいて６０ｋｒｐｍを超える安定性を持つことが示された。よって、本実施例１に係る気体動圧軸受機構１は、レーザスキャナ用軸受として十分な高速安定性を有することがわかった。

次に、軸受け内における圧力分布にして説明する。軸受け内の圧力分布の極大値は、図１（ｂ）に最大圧断面位置、つまり回転シャフト１０の端部から軸方向へのＨＢ溝１０ａ長さｌｇだけ中側の位置で最大を示す。図１（ｂ）は片側だけで示すが、両側で発生する。つまり回転シャフト１０の端部から内側へ距離ｌｇの位置では、回転に応じて、ＨＢ溝１０ａがその位置へきたときに極大値を示し、ＨＢ溝１０ａと隣り合うＨＢ溝１０ａとの中間になったときに極小値を示す。図９にその圧力の分布図を示す。図９は、横軸を回転シャフト１０の円周方向とし、縦軸を圧力（ａｔｍ）とする座標上に圧力分布を示している。上記した最大圧力断面位置を固定して、圧力を観測する場合は、図９の圧力分布で示される圧力値の変化を回転シャフト１０の回転に応じて受けることになる。

このようｎｇ＝３本のＨＢ溝１０ａ付の気体動圧軸受機構１を回転させると、図９に示すように、圧力が脈動するように変動することになり、極大圧力値ｍａｘ．は上記したように結露発生圧力値約１，７ａｔｍを越えて結露する可能性があるが、直ぐに圧力は結露発生圧力値約１．７以下に下がり結露が解かれ、気化する。

次に、下記（イ）〜（ハ）に示すように、回転シャフト１０の直径、回転数等の諸元の幾つかを変えた条件で、かつ同じ条件でＨＢ溝本１０ａを３から１５本変化させ、圧力分布を調べてみる。
（イ）主な緒元を表２に示すような気体動圧軸受機構１において、回転数６０ｋｒｐｍおよび回転数７０ｋｒｐｍで回転させて実験を行った。

軸径８ｍｍの回転シャフト１０を回転数６０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１０に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表２の条件では、ＨＢ溝１０ａの本数の如何にかかわらず、極小圧力値ｍｉｎ．がすべて１．７ａｔｍ以下となり、たとえ、液体粒子が発生しても直に気化してしまうことがわかる。

また、軸径８ｍｍの回転シャフト１０を回転数７０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１１に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表２の条件では、ＨＢ溝１０ａの本数の如何にかかわらず、極小圧力値ｍｉｎ．がすべて１．７ａｔｍ以下となり、たとえ、液体粒子が発生しても直に気化してしまうことがわかる。

（ロ）次に、主な緒元を表２に示すような気体動圧軸受機構１において、回転数６０ｋｒｐｍおよび回転数７０ｋｒｐｍで回転させて実験を行った。

軸径９ｍｍの回転シャフト１０を回転数６０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１２に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表３の条件では、ＨＢ溝１０ａの本数の如何にかかわらず、極小圧力値ｍｉｎ．がすべて１．７ａｔｍ以下となり、たとえ、液体粒子が発生しても直に気化してしまうことがわかる。

また、軸径９ｍｍの回転シャフト１０を回転数７０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１３に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表３の条件でも、ＨＢ溝１０ａの本数が１０本以上になると、極小圧力値ｍｉｎ．が１．７ａｔｍを越えることになり、等温圧縮により結露した液体粒子が完全には気化せずに累積して残る可能性がある。したがってこの条件で結露の問題を避けるには、ＨＢ溝１０ａの本数は１０本以下であることが望ましいことがわかる。

（ハ）続いて、主な緒元を表２に示すような気体動圧軸受機構１において、回転数５０ｋｒｐｍおよび回転数６０ｋｒｐｍで回転させて実験を行った。

軸径１４ｍｍの回転シャフト１０を回転数５０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１４に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表４の条件では、ＨＢ溝１０ａの本数が１１本以上になると、極小圧力値ｍｉｎ．が１．７ａｔｍ以下を越えることになり、等温圧縮により結露した液体粒子が完全には気化せずに累積して残る可能性がある。したがって、結露問題を避けるにはＨＢ溝１０ａの本数は１１本以下であることが望ましいことがわかる。

また、軸径１４ｍｍの回転シャフト１０を回転数６０ｋｒｐｍで回転させると、ＨＢ溝１０ａの本数に応じて、図１５に示すような極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が得られた。表４の条件では、ＨＢ溝１０ａの本数が５本以上になると、極小圧力値ｍｉｎ．が１．７ａｔｍ以下を越えることになり、等温圧縮により結露した液体粒子が完全には気化せずに累積して残る可能性がある。したがって、結露問題を避けるには、ＨＢ溝１０ａの本数は５本以下であることが望ましいことがわかる。

以上の結果、以下のような点を主張することができる。

（１）軸受シミュレーション結果より、ＨＢ溝１０ａが６〜９本以下の場合に、極大圧力値ｍａｘ．および極小圧力値ｍｉｎ．が（大きく）低下する傾向が見られる。

（２）周囲湿度が６０％ＲＨを実用的な使用湿度と捉え、結露発生圧力は１．７ａｔｍ程度（図８の結露発生圧力のグラフより）とすれば、軸径が直径１４ｍｍと比較的大きな軸受であっても、ＨＢ溝１０ａが５本以下であれば、結露による不具合の発生を防止できる。このようなシミュレーションからして、所定吸入角β（０＜β≦９０度）で、前記溝の軸方向の長さｌｇと該回転軸の軸径Ｄとの比α＝ｌｇ・Ｄが０．２＜α＜０．８で設けられていて、使用時湿度が４０〜６０％ＲＨ、ほぼ周囲湿度４０から６０％ＲＨの環境下で回転数Ｍ（４０＜Ｍ≦６０：単位ｋｒｐｍ）の範囲での使用条件において、ＨＢ溝１０ａの本数ｎｇは、少なくとも前記極小圧力値が１．７ａｔｍ以下となる間隔になることであり、それは、３から５本であれば、ほぼ満足できることが分かる。

つまり、ＨＢ溝１０ａが５本以下である場合は、仮に、極大圧力値ｍａｘ．が結露発生圧力を上回っていたとしても、極小圧力値ｍｉｎ．が結露発生圧力に達していなければ、結露水分は連続して存在することができないため、結露による不具合の発生を抑制することができる。補足すると、図１（ｂ）の最大圧力断面を考えた場合、ＨＢ溝１０ａが形成されている部分に典型的に極大、極小圧力値が現れ、その先端部が特に高い極大圧力値ｍａｘ．を受けることになり、ＨＢ溝１０ａが形成されていない部分はそれよりも圧力が低くなる。

図１６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、へリングボーン溝の形成例を示したものであるが、これに限定されるものではない。

ところで、上記実施例１では、へリングボーン溝付の気体動圧軸受機構を固定スリーブ２０内で回転シャフト１０を回転する溝付部材回転型としたが、同じ溝付部材回転型であっても、溝なし部材である固定シャフトの周りで溝付部材である回転スリーブを回転させることもできる。

図１７は、このような気体動圧軸受機構を備えるこの発明の実施例２に係るモータ３００を示す断面である。このモータ３００は、気体動圧軸受機構の回転スリーブ４０から軸方向に延伸する先端部に取り付けられる、レーザ光を走査する走査部材であるポリゴンミラー４２を回転させるために利用されるモータであって、円柱体でなる固定シャフト３０，固定シャフト３０の下端部外周を固定するブッシュ３１，ブッシュ３１に取り付けられた回路基板３２，回路基板３２に設けられた巻き線３３，および固定シャフト３０の上端部に固着されたアキシャルマグネット３４からなる固定部と、固定シャフト３０の外周に回転自在に嵌挿された回転スリーブ４０，回転スリーブ４０の外周中程に固着されたハブ４１，ハブ４１に固定されたポリゴンミラー４２，ポリゴンミラー４２をハブ４１に押さえ付けるミラー押さえばね４３，ハブ４１の下端部に固着されたバックヨーク４４，４５，バックヨーク４５に固着されたマグネット４６，回転スリーブ４０の上端内周面に固着されたアキシャルマグネット４７，およびアキシャルマグネット４７を隠すように回転スリーブ４０の上端内周面に被せられたカバー４８からなる回転部とから構成されている。

回転スリーブ４０の内周面には、３対６本のへリングボーン溝４０ａが形成されている。

このように構成されたモータ３００では、軸受隙間に発生する気体の圧力分布が高速で移動するように回転スリーブ４０にへリングボーン溝４０ａを設け、ヘリングボーン溝４０ａは、回転スリーブ４０が回転したときに発生する軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が結露する圧力値より低い圧力値となる間隔になる本数Ｎ（例えば、３〜５本）で構成されるので、等温圧縮により結露した液体粒子が累積し液体膜になる前に減圧により再び気化して液体膜が形成されないという効果がある。このため、等温圧縮により結露した液体のせん断力により軸受表面が破損・剥離し、このときに発生した軸受表面の剥離分が軸受隙間を埋めてしまい、軸受がロックするといった問題が生じることが回避される信頼性の高いモータ３００を提供することができる。

以上、この発明の各実施例を説明したが、これらはあくまでも例示にすぎず、この発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

（ａ），（ｂ）はこの発明の実施例１に係る気体動圧軸受機構の斜視図、および回転シャフトの外周面展開図。 実験装置の概略を示す図。 軸受乗数と無次元負荷容量の関係を示すグラフ。 偏心率と無次元負荷容量の関係を示すグラフ。 無次元時間と回転シャフト変位の関係を示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は軸心軌跡の安定状態および不安定状態を示す図。 隙間間隔と安定限界速度の関係を示すグラフ。 等温圧縮の場合の結露発生圧力を示すグラフ。 圧力が変動することを示すグラフ。 軸径８ｍｍの回転シャフトを回転数６０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 軸径８ｍｍの回転シャフトを回転数７０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 軸径９ｍｍの回転シャフトを回転数６０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 軸径９ｍｍの回転シャフトを回転数７０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 軸径１４ｍｍの回転シャフトを回転数５０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 軸径１４ｍｍの回転シャフトを回転数６０ｋｒｐｍで回転させたときの、ＨＢ溝の本数に応じた極大圧力値および極小圧力値を示す棒グラフ。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はヘリングボーン溝の形状の変形例をそれぞれ示す展開図。 この発明の実施例２に係るモータを示す断面図。 （ａ），（ｂ）は従来の気体動圧軸受機構の斜視図、および固定シャフトの外周面展開図。 中圧力での圧力分布の時間移動と結露した液体粒子位置の関係を説明するグラフ。 高圧力での圧力分布の時間移動と結露した液体粒子位置の関係を説明するグラフ。 圧力分布の時間移動と結露した液体粒子位置の関係を説明するグラフ。

符号の説明

１ 気体動圧軸受機構
１０ 回転シャフト（回転軸）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ へリングボーン溝
２０ 固定スリーブ（固定部材）
３０ 固定シャフト（固定部材）
３１ ブッシュ
３２ 回路基板
３３ 巻き線
３４ アキシャルマグネット
４０ 回転スリーブ（回転軸）
４１ ハブ
４２ ポリゴンミラー
４３ ミラー押さえばね
４４，４５ バックヨーク
４６ マグネット
４７ アキシャルマグネット
４８ カバー
３００ モータ

Claims (5)

1. 回転軸と、該回転軸の面と所定の軸受隙間を置いて相対する面を有する固定部材と、該回転軸の面にその回転方向に等間隔に配置された本数Ｎ本の溝で構成され前記軸受隙間に回転したときに動圧を発生させるヘリングボーン溝と、を含む気体動圧軸受機構であって、
   前記へリングボーン溝を構成する本数Ｎ本の溝は、前記回転軸の軸方向の一端部の縁を一端とし該回転軸の軸方向の中央に向けて所定吸入角β（０＜β≦９０度）で、前記溝の軸方向の長さと該回転軸の軸径との比がα（０．２＜α＜０．８）で設けられており、さらに、
   前記溝は、ほぼ周囲湿度６０％ＲＨの環境下で前記回転軸がＭ（４０＜Ｍ≦６０：単位ｋｒｐｍ）の回転数で回転したときに発生する前記軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、前記極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が、結露する圧力値１．７ａｔｍ以下となる間隔になる本数Ｎで構成されることを特徴とする気体動圧軸受機構。
2. 前記Ｎは、３〜５のいずれかの整数であることを特徴とする請求項１に記載の気体動圧軸受機構。
3. 回転軸と、該回転軸の面と所定の軸受隙間を置いて相対する面を有する固定部材と、該回転軸の面にその回転方向に等間隔に配置された本数Ｎ本の溝で構成され前記軸受隙間に回転したときに動圧を発生させるヘリングボーン溝とを含む気体動圧軸受機構を有し、前記回転軸に取り付けられる、レーザ光を走査する走査部材、又は風を吹き付けるファンを回転させるために利用されるモータであって、
   前記へリングボーン溝は、本数Ｎ本の溝からなり、各該溝は、前記回転軸の軸方向の一端部の縁を一端とし該回転軸の軸方向の中央に向けて吸入角β（０＜β≦９０度）で、前記該溝の軸方向の長さと該回転軸の軸径との比αがほぼ０．２〜０．８の範囲に設けられ、
   さらに、前記溝の本数Ｎは、ほぼ、周囲温度が６０℃以下、周囲湿度６０％ＲＨの環境下で前記回転軸がＭ（４０＜Ｍ≦６０：単位ｋｒｐｍ）の回転数で回転したときに発生する前記軸受隙間内の動圧変化の極大圧力値が現れる位置で、前記極大圧力値と交互に現れるＮ個の極小圧力値が１．７ａｔｍ以下となる間隔になる数で構成されることを特徴とするモータ。
4. 前記円周方向に等間隔で配置された前記各溝の該円周方向の長さの合計が、前記回転軸の円周の長さより短くされていることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記Ｎは、３〜５のいずれかの整数であることを特徴とする請求項３又は４に記載のモータ。

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