JPH03277807A

JPH03277807A - 気体軸受け構造

Info

Publication number: JPH03277807A
Application number: JP2077185A
Authority: JP
Inventors: Koji Shimado; 島戸　幸二; Hirokazu Yashiro; 八代　洋和
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1990-03-26
Publication date: 1991-12-09
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2975628B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は気体軸受は構造に関し、特に動圧ラジアル気体
軸受は及び動圧スラスト気体軸受けを備えた高速回転機
用の気体軸受は構造に関する。

［従来の技術］従来、ラジアル軸受は及びスラスト軸受けを備えた高速
回転機用の軸受は構造としては、例えばターボ分子ポン
プの軸受は構造が知られており、これはタービン翼と駆
動装置とが取り付けられたシャフトを、ベアリングによ
ってラジアル及びスラストの少なくとも一方向に支持す
るものである。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、前述の如きベアリングを使用したターボ
分子ポンプは、高速回転性に劣るためポンプとしての能
力が低く、高真空状態を実現できないばかりでなく、耐
久性に乏しいという問題点を有していた。

これら問題点を解決する方法としては、前記ラジアル及
びスラストの軸受は構造を比較的高速回転に適した気体
軸受は構造とすることが考えられる。例えば、第５図に
示すように、シャフト２３の周囲にラジアル軸受は体２
４及び上下一対のスラスト軸受は体２５を配設すると共
に、シャフト２３には、これら軸受は体２４．２５との
間にそれぞれ数μｍ〜数十μｍのクリアランスＣＩ、Ｃ
２を隔てて対向するラジアル軸２６及びスラスト軸２７
（第５図では平板状）を一体固着し、動圧又は静圧にて
前記クリアランスＣＬ、Ｃ２に圧力気体膜を形成可能と
することが考えられる。そして、このような軸受は構造
のもと、シャフト２３に取着されたモータロータ２２と
、その周囲に配設された電磁コイル２８との相互作用に
基づきシャフト２３を前記各軸受は体２４．２５と非接
触状態で回転させるターボ分子ポンプが本発明者らによ
り検討されている。

ところが、係るターボ分子ポンプにおいては、シャフト
２３の回転速度が次第に上昇して特定の回転数に達する
と、突然振動が発生し、シャフト２３の安定回転が阻害
されるのみならず、最悪の場合にはメカニズムそのもの
が破損されるという問題があり、上述の如き気体軸受は
構造を採用することができなかった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであ
り、その目的は、ラジアル軸及びスラスト軸と一体回転
される回転体の回転数の上昇に伴う振動等の発生を未然
に防止して、係る回転体を常時安定回転させることが可
能な高速回転機に適した気体軸受は構造を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］一般に、気体軸受は構造においては、軸及び軸受は体に
は極めて高い寸法精度が要求されるが、特にラジアル及
びスラストの双方を気体軸受けで構成する場合には、回
転されるラジアル軸２６とスラスト軸２７とを極めて高
い精度で直交させる必要がある。

しかし、前記ラジアル軸２６とスラスト軸２７とを完全
に直交させることは、加工精度の技術的限界から実際上
困難であり、−船釣には第６図（ａ）及び（ｂ）に示す
ように、ラジアル軸２６の中心線りとスラスト軸２７の
スラスト面に平行な平面Ｐとの間には、その直角度にお
いて、±α０の誤差が生じる。前述した気体軸受は構造
にあっては、このような直角度の不足からシャフト２３
が特定の回転数に達したときに、振動が発生するものと
考えられる。

即ち、第６図（ａ）に示すように、シャフト２３はその
起動に伴い、先ずラジアル方向及びスラスト方向のうち
、回転時の剛性の高い方向（第６図（ａ）ではラジアル
方向）が優先して位置規制される。すると、回転時の剛
性の低い方向のスラスト軸２７とスラスト軸受は体２５
との間に、通常のクリアランスＣ２よりも狭い部位Ｓｌ
が形成され、この部位Ｓ１の圧力が増大する。その結果
、シャフト２３にはその重心Ｇを中心とする右回りのモ
ーメントが発生し、シャフト２３が第６図（ａ）の状態
から第６図（ｂ）の状態へ傾動される。すると、今度は
ラジアル軸２６とラジアル軸受は体２４との間に、通常
のクリアランスＣＩよりも狭い部位Ｓ２が形成され、こ
の部位Ｓ２の圧力が増大する。その結果、シャフト２３
にその重心Ｇを中心とする左回りのモーメントが発生し
、シャフト２３が再び第６図（ａ）の状態に復帰される
。

こうして、シャフト２３は第６図（ａ）の状態と第６図
（ｂ）の状態との間を絶えず揺動されることになり、回
転数の上昇に伴い、前記揺動の振幅が大きくなって各軸
２６．２７と各軸受は体２４，２５とが接触するように
なり、軸受は構造の破壊に至るものと推測される。

本発明は、ラジアル軸とスラスト軸との間の直角度の不
足を直裁に反映する軸受は構造となっていることが、上
述のような互いに反対方向に作用するモーメントを交互
に生じ、揺動現象を助長する原因になっている点に着目
してなされたものである。

本発明の気体軸受は構造は、ラジアル軸を回転可能に支
持するラジアル軸受は体と、スラスト軸を回転可能に支
持するスラスト軸受は体と、前記ラジアル軸受は体及び
スラスト軸受は体を保持するケーシングとを備え、これ
ら部材から任意に選択される一対の部材の組合せのうち
、少なくとも一組が弾性体を介して連結されている。

［作用］前記ラジアル軸受は体、スラスト軸受は体、ケーシング
から任意に選択される一対の部材の組合せのうち、少な
くとも一組が弾性体を介して連結されることにより、相
互の部材間には相互の取り付は角度を微小に変化させる
程度の自由度が確保される。即ち、ラジアル軸受は体とスラスト軸受は体とが弾性体を介し
て連結されている場合、両部材間には相互の取り付は角
度を微小に変化させる程度の自由度が確保される。

ラジアル軸受は体とケーシングとが弾性体を介して連結
されている場合、ケーシングに取り付けられたスラスト
軸受は体とラジアル軸受は体との間には相互の取り付は
角度を微小に変化させる程度の自由度が確保される。

また、スラスト軸受は体とケーシングとが弾性体を介し
て連結されている場合、ケーシングに取り付けられたラ
ジアル軸受は体とスラスト軸受は体との間には相互の取
り付は角度を微小に変化させる程度の自′由度が確保さ
れる。

従って、ラジアル軸とスラスト軸との間の直角度の不足
に起因して、通常ならば、一体回転されるラジアル軸と
スラスト軸とを不安定振動させるモーメントが生じるよ
うな場合でも、ラジアル軸受は体及びスラスト軸受は体
は、それぞれラジアル軸及びスラスト軸との間の空気圧
バランスに応じて、相互の取り付は角度を微妙に変化さ
せ、各軸とのクリアランスが局所的に狭くなることを極
力回避する。それ故、一体回転されるラジアル軸とスラ
スト軸とを不安定振動させるモーメントの発生が未然に
防止され、ラジアル軸及びスラスト軸の安定した一体回
転が確保される。

前記弾性体はリング状に形成されて、連結される部材間
に介装されることが好ましく、このような簡便な構成に
より、両部材間には相互の取り付は角度を微小量変化さ
せる程度の自由度が確保される。

この場合の弾性体厚さは、０．５〜２．　０ｍｍの範囲
が好適である。弾性体厚さが０．５ｍｍ未満では連結さ
れる両部材間に必要な自由度を付与することができず、
２．０ｍｍを超えると軸受は体としての剛性が不足して
新たな問題を生ずる。

前記弾性体の構成材料としては、シリコンゴム、ウレタ
ンゴム、フッ素ゴム及びブチルゴム等があげられ、前記
弾性体はこれらから選択される何れか少なくとも一種か
らなることが好ましい。

また、前記弾性体は、ショア硬度にして６０〜９５、圧
縮永久歪みにして最大で２０〜４０％のものが好ましく
、この範囲内のものであれば、新たな問題を生じること
なく、前記連結される両部材を、適度な弾性をもって連
結することができる。

更に、ラジアル軸受は体とスラスト軸受は体の境界部分
に対応するように、前記ケーシングには切欠き部が形成
されていることが好ましい。

この切欠き部によって、ケーシングの肉厚が部分的に薄
くなり、その部位には弾性が付与される。

そのため、ケーシングを介してラジアル及びスラストの
両軸受は体が弾性的に連結され、両軸受は体間には前述
のような自由度が付与される。

前記ケーシングとしては、アルミニウム、炭素鋼、真鍮
等の金属製ケーシングが好ましく、切欠き部の形成によ
って、効果的にケーシング自体に適度な弾性を持たせる
ことができる。

ラジアル軸受は体及びスラスト軸受は体、並びにラジア
ル軸及びスラスト軸の構成材料としてはセラミックスが
好適であり、なかでも炭化珪素が有利である。

その理由は、炭化珪素焼結体は機械的強度、耐磨耗性等
に優れており、かつ比較的軽量だからである。

［第一実施例］以下に、本発明をターボ分子ポンプの駆動モータ部に具
体化した第一実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図に示すように、中央部１ａが半径方向へ突出した
円筒形状のケーシングｌ内には、その軸方向（上下方向
）に延びるロータシャフト２が回動可能に収容されてい
る。このロータシャフト２のケーシングｌ外へ突出され
た上端部には、タービン翼３が設けられている。一方、
ロータシャフト２の上端部外周には、複数に分割された
マグネット４が一体的に取着されると共に、ケーシング
１の下部内周面上には、マグネット４を包囲するように
、複数の電磁コイル１７が設けられている。

また、ケーシング１内には、その上半部内周面に対応さ
せて円筒状に形成されたラジアル軸受は部５と、その軸
受は部５に直交して鍔状に形成されたスラスト軸受は部
６とを有し、かつ炭化珪素焼結材料で形成された軸受は
部材７が設けられている。そして、この軸受は部材７は
、その上下両端部外周にそれぞれ設けられると共に、シ
リコンゴムを使用して環状に形成された第１ゴムリング
１８及び第２ゴムリング１９（断面逆り字状）を介して
前記ケーシング１に装着されており、軸受は部材７とケ
ーシングｌとは、両ゴムリング１８゜１９の厚み（１，
０ｍｍ）に相当する距離だけ離間されている。

前記ロータシャフト２の外周部には、この軸受は部材７
のラジアル軸受は部５に対向して円筒状に形成された炭
化珪素製のラジアル対向部材１１が、前記ラジアル軸受
は部５との間に所定のクリアランスＣ３（実寸１０μｍ
）を隔てて一体回動可能に取着されている。

また、ケーシングＩの中央部Ｉａ内には、前記軸受は部
材７のスラスト軸受は部６に対応して環状に形成された
炭化珪素製のスラスト軸受は板８が設けられている。こ
のスラスト軸受は板８は、その下面側に設けられると共
に、シリコンゴムを使用して環状に形成された第３ゴム
リング２０を介してケーシング１に装着されており、ス
ラスト軸受は板８とケーシングｌとは、該ゴムリング２
０の厚み（１ｍｍ）に相当する距離だけ離間されている
。更に、スラスト軸受は板８と前記軸受は部材７のスラ
スト軸受は部６とは、両者６，８間に介在された円筒状
のスペーサ９によって所定間隔を隔てられ、かつ互いの
対向面が平行になるように配置されている。

前記ラジアル対向部材１１の下側に隣接したロータシャ
フト２の外周部には、前記軸受は部材７のスラスト軸受
は部６と前記スラスト軸受は板８の双方に対向して円板
状に形・成された炭化珪素製のスラスト対向部材１２が
、両者６，８との間に所定のクリアランスＣ４（実寸５
μｍ）を隔てて一体回動可能に取着されている。

一方、軸受は部材７のラジアル軸受は部５に対応する金
属製のケーシング１の周面には、他部位（肉厚３〜ｌｏ
ｍｍ）よりも肉厚ｈ（本実施例では１．５ｍｍ）の薄い
切欠き部１ｂが周面全体にわたって形成されると共に、
この切欠き部１ｂにはケーシング１の長さ方向へ延びる
複数のスリット２１が形成されている。そのため、この
切欠き部１ｂによってケーシングｌには弾性が付与され
、この切欠き部１ｂから上側にあるケーシングｌの上半
部は、この切欠き部１ｂよりも下側にあって、極めて高
い剛性を有するケーシングｌの中央部ｌａ及び下半部に
対し、ケーシング１の上端部においてコンマ数μｍの変
位が可能となっている。

更に、前記ラジアル対向部材１１の外周面、及び前記ス
ラスト対向部材１２の上下両面には、ロータシャフト２
の回転に伴い、前記各クリアランスＣ３，Ｃ４にそれぞ
れ気体を導入する複数の動圧溝１５及び１６が刻設され
ている。

尚、前記軸受は部材７のラジアル軸受は部５によってラ
ジアル軸受は体が構成され、軸受は部材７のスラスト軸
受は部６及びスラスト軸受は板８によってスラスト軸受
は体が構成される。また、前記ロータシャフト２、並び
に前記ラジアル対向部材１１及びスラスト対向部材１２
により回転体Ｒが構成され、ラジアル対向部材１１及び
スラスト対向部材１２がそれぞれ回転体Ｒのラジアル軸
及びスラスト軸に相当する。更に、前記第１〜第３ゴム
リング１８，１９．２０は、それぞれ弾性体を構成する
。

次に、上述のように構成されたターボ分子ポンプの駆動
モータ部の作用について説明する。

前記各電磁コイル１７に対する通電制御が開始されると
、各電磁コイル１７によって形成される磁界とマグネッ
ト４による磁界との相互作用により、回転体Ｒが所定方
向へ回転駆動される。

回転体Ｒの起動に伴って、前記各動圧溝１５゜１６の作
用により、ラジアル対向部材１１と軸受は部材７のラジ
アル軸受は部５との間、並びに、スラスト対向部材１２
とスラスト軸受は板８及び軸受は部材７のスラスト軸受
は部６との間に空気が導入されて、それぞれに圧力気体
膜が形成される。この圧力気体膜により、回転体Ｒはケ
ーシングｌに内装された各部材７，８等と、前記各クリ
アランスＣ３，Ｃ４を保ちながら、非接触状態に支持さ
れて回転される。

ここで、仮に、この回転体Ｒのロータシャフト２の中心
線りと、スラスト対向部材１２のスラスト面に平行な平
面Ｐとが、加工精度の限界から完全に直交していないと
する。このような場合、前述したように、回転体Ｒのラ
ジアル方向及びスラスト方向のうち、回転時の剛性の高
い方向が優先的に位置規制され、回転体Ｒの重心を中心
とする揺動現象を生じる条件が成立する。

しかし、軸受は部材７とスラスト軸受は板８とは、それ
ぞれ第１．第２ゴムリング１８．１９及び第３ゴムリン
グ２を介してケーシング１２に連結されているため、両
部材７，８はケーシング１に対する取り付は位置を微小
量変化させることができ、両部材７，８間には相互の取
り付は角度を微小に変化させる程度の自由度が確保され
る。それに加えて、軸受は部材７のラジアル軸受は部５
とスラスト軸受は部６の境界部分に対応するように、ケ
ーシングｌには切欠き部１ｂが形成されているため、ケ
ーシングｌの上半部は下半部に対して変位可能、即ち弾
性的に連結され、前記両部材７．８間の相互自由度は更
に増大されている。

従って、両部材７，８間には、ケーシング１の上端にお
いてＯ，１〜２．０μｍ程度変位させる自由度が確保さ
れており、それ故に、回転時の剛性の低い方向の回転体
Ｒの対向部材（１１又は１２）と、対する軸受は体（５
又は６，８）との間に、通常のクリアランスよりも狭い
部位が形成されて、一方の対向部材を所定位置に復元し
ようとするモーメントが生ずるような場合でも、ケーシ
ング１側の各軸受は部材７，８は、回転体Ｒの各対向部
材１１．１２との間の空気圧バランスに応じて、相互の
取り付は角度を微妙に変化させ、各クリアランスＣ３，
Ｃ４が局所的に狭くなることを極力回避する。それ故に
、回転体Ｒを不安定振動させようとするモーメントの発
生が未然に防止され、回転体Ｒは安定回転することがで
きる。

また、仮に一方の対向部材（１１又は１２）において前
述のようなモーメントか発生される場合でも、他方の対
向部材はその影響をほとんど受けることなく、所定のク
リアランスを保持し続けることができる。従って、回転
体Ｒの駆動時において、回転体の振動が前記第１〜第３
ゴムリング１８．１９．２０によって吸収されると考え
ることもできる。

尚、本実施例に近似する別例としては、次のものがあげ
られる。

（ａ）第２図に示すように、前記第一実施例において、
軸受は部材７のラジアル軸受は部５とスラスト軸受は部
６の境界部分に対応するケーシングｌの周面に形成され
ていた切欠き部１ｂを省略した構成としてもよい。この
ような構成としても、前記と略同様の作用、効果を発揮
することができる。

（ｂ）第３図に示すように、前記第一実施例において、
第１ゴムリング１８及び第３ゴムリング２０を省略して
、軸受は部材７のラジアル軸受は部５及びスラスト軸受
は板８をそれぞれケーシングｌの内周面に密接させた構
成としてもよい。このような構成としても、切欠き部１
ｂを介してケーシングｌの上下両半部が弾性的に連結さ
れるため、前記と略同様の作用、効果を発揮することが
できる。

（ｃ）第１〜３図にそれぞれ示す軸受は構造において、
軸受は部材７のラジアル軸受は部５とスラスト軸受は部
６とを別部材によって分割構成し、それぞれに弾性体を
介してケーシング１に装着してもよい。また、別体とし
た両部材を弾性体を介して相互に連結してもよい。

［第二実施例コ第４図に示すように、本実施例ではケーシング（図示略
）側の軸受は体として、円筒状に形成されたラジアル軸
受は部３５と、その軸受は部３５に直交して鍔状に形成
されたスラスト軸受は部３６とを有する軸受は部材３７
、及び前記スラスト軸受は部３６に対し平行に配置され
るスラスト軸受は板３８が設けられている。これら３７
．３８は、両者間に介装される円筒状の介装部材３９に
よって所定間隔を隔てられていると共に、軸受は部材３
７、介装部材３９、スラスト軸受は板３８を貫通して螺
着される複数個のボルト３１及びナツト３２（−組のみ
図示）によって連結されている。更に、各ボルト３１の
頭部と軸受は部材３７との間、及び、軸受は部材３７と
介装部材３９との間には、シリコンゴムにてリング状に
形成された一対のリングゴム３３　（厚み０．５ｍｍ）
がそれぞれ介装されている。尚、前記軸受は部材３７の
ラジアル軸受は部３５によってラジアル軸受は体が構成
され、軸受は部材３７のスラスト軸受は部３６及びスラ
スト軸受は板３８によってスラスト軸受は体が構成され
る。

従って、弾性体としてのリングゴム３３を介在させるこ
とによって、軸受は部材３７とスラスト軸受は板３８と
が弾性的に連結される。そして、リングゴム３３の弾性
と、ボルト３１の締め付は具合とにより、軸受は部材３
７とスラスト軸受は板３８との間には相互の取り付は角
度を微小に変化させる程度の自由度が確保されるため、
前記第一実施例と同様、回転体Ｒを不安定振動させよう
とするモーメントの発生が未然に防止され、回転体Ｒは
振動を生じることなく、安定回転することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、ラジアル軸及びス
ラスト軸と一体回転される回転体の回転数の上昇に伴う
振動等の発生を未然に防止して、係る回転体を常時安定
回転させることができるという優れた効果を奏する。

従って、本発明は高速回転機用の気体軸受は構造として
極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例を示す断面図、第２図及び
第３図はそれぞれ第一実施例に近似した別例を示す要部
断面図、第４図は本発明の第二実施例を示す要部断面図
、第５図は試験的構成例を示す断面図、第６図（ａ）及
び（ｂ）は前記試験的構成例の欠点を示す説明図である
。ｌ・・・ケーシング、１ｂ・・・切欠き部、５，３５・
・・ラジアル軸受は体としてのラジアル軸受は部、６゜
３６・・・スラスト軸受は部、８，３８・・・スラスト
軸受は板（前記６，８及び３６．３８によりそれぞれス
ラスト軸受は体が構成される）、ｌｌ・・・ラジアル軸
としてのラジアル対向部材、１２・・・スラスト軸とし
てのスラスト対向部材、１８，１９．２０・・・弾性体
としての第１．第２．第３ゴムリング、３３・・・弾性
体としてのリングゴム。

Claims

【特許請求の範囲】１　ラジアル軸（１１）を回転可能に支持するラジアル
軸受け体（５、３５）と、スラスト軸（１２）を回転可
能に支持するスラスト軸受け体（６、８、３６、３８）
と、前記ラジアル軸受け体及びスラスト軸受け体を保持
するケーシング（１）とを備え、これら部材から任意に
選択される一対の部材の組合せのうち、少なくとも一組
が弾性体（１８、１９、２０、３３）を介して連結され
てなる気体軸受け構造。２　ラジアル軸受け体（３５）とスラスト軸受け体（３
８）とが弾性体（３３）を介して連結されてなる請求項
１に記載の気体軸受け構造。３　ラジアル軸受け体（５）とケーシング（１）とが弾
性体（１８、１９）を介して連結されてなる請求項１に
記載の気体軸受け構造。４　スラスト軸受け体（６、８）とケーシング（１）と
が弾性体（１８、１９、２０）を介して連結されてなる
請求項１に記載の気体軸受け構造。５　前記弾性体（１８、１９、２０、３３）は、シリコ
ンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム及びブチルゴムから
選択される何れか少なくとも一種からなることを特徴と
する請求項１乃至４の何れか一項に記載の気体軸受け構
造。６　前記ラジアル軸受け体（５）とスラスト軸受け体（
６）の境界部分に対応するように、前記ケーシング（１
）には切欠き部（１ｂ）が形成されていることを特徴と
する請求項１乃至５の何れか一項に記載の気体軸受け構
造。