JP2006038222A - 転がり軸受用環状支持部材 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受のリングの表面または軸の表面との軸方向摩擦を低減させるとともに接線方向の摩擦はかなり大きな値に維持することができる転がり軸受用環状支持部材を提供する。
【解決手段】転がり軸受11用、特に回転真空ポンプの回転子のような超高速回転速度の回転子に適応される転がり軸受用の支持リング1。このリングは、複数の傾斜した放射状プレート9により相互に接続された一対の同軸状円筒状シェル3，5を含み、前記シェル3，5の少なくとも一方は円周方向に分割されて複数のシュー7を形成し、各シューは、長さの異なるシュー部分であるシュー円弧A₁，A₂を形成するように少なくとも１つの放射状プレート9に接続され、ここで、前記プレート9は、弾性がありかつシュー7の半径方向移動を許容して回転部分の振動を抑制するように構成されている。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は転がり軸受用環状支持部材に関する。

周知のように、転がり軸受は、例えば、回転部材と静止部材との間（または、異なる速度で回転する一対の部材間）で、２つの軌道、すなわち、回転部材または該回転部材と一体の第１のリングに直接形成された１つの軌道と、静止部材または該静止部材と一体の第２のリングに形成された別の軌道との間で転動する球体またはコロを介在させた状態で、相対運動が生じるよう構成された機械部品である。球体またはコロは、通常、これらを分離保持することができる種々の形状のケージにより間隔を置いて配置されている。

ある種の産業上の適応例において、弾性支持部材は、軸受と軸受を収容する座部との間、または、軸受と例えば軸などの回転部材との間に介在されるよう構成される。この弾性支持部材は、軸受の調芯誤差がある場合にその誤差を補償するとともに、その調芯誤差に起因して発生する振動が軸から、軸が装着されている機械の構造体へ伝播するのを防止するよう構成されている。

軸振動の別の原因として、幾何学的な回転軸芯を中心とする不均一な質量配分が挙げられ、この場合、回転子およびそれ故その軸受において、遠心力が発生するという結果になる。一般的に、弾性支持部材を使用する一例として、回転真空ポンプ、特に、機械軸受を備えたタイプのターボ分子真空ポンプが挙げられる。
周知のように、回転真空ポンプは、磁気軸受または機械転がり軸受により支持された回転軸を備えており、この種のポンプにおいて軸は通常２０，０００ｒｐｍ〜９０，０００ｒｐｍの範囲の極めて高速で回転している。

軸または軸と連動するポンプ回転子の振動がポンプ構造体へ伝播するのを防止するために、ポンプに機械軸受が備えられている場合、転がり軸受を包囲するゴム状弾性材の環状支持部材が設けられている。
図１は、回転子１０１が回転子ディスク１０３を備えたターボ分子ポンプの一例を示し、これらの回転子ディスク１０３は、ポンプハウジング（図示せず）と一体の静止固定子ディスクと協働して、ポンプの入口と排出口との間でガスポンピング作用を行うものである。

回転子１０１は、転がり軸受１０７ａ，１０７ｂにより支持された回転軸１０５に装着されている。回転軸１０５は、ポンプ基部１１７内に形成された空洞部１１１内部に収容された電動機１０９により回転される。
図１の拡大部分に明瞭に示すように、１つまたは複数のリングで形成された弾性環状支持部材１１３が、各転がり軸受１０７ａ，１０７ｂと、ポンプ基部１１７内に形成された対応する座部１１５との間に設けられている。

環状支持部材１１３を設けている理由は、何よりも、ポンプの回転部分により、該ポンプ本体へ、および該ポンプを介して真空室へ伝達される振動を減衰させる必要があるからである。
現実問題として、真空ポンプを極めて精巧複雑な測定装置と連動させて使用するような特に厳格な適用例（例えば、質量分光）においては、ポンプ回転子の振動が他の構造体、特に測定装置へ伝達されるのを防止することが不可欠である。

更に、これらの振動を減衰することにより、全体のポンプノイズを直接的に低減させることになる。
また、環状支持部材１１３を設けることにより、第１臨界速度（実質的に変形しない「堅い回転子」を備えた形式的な形態と連動した第１回転速度としての速度であり、かつ、軸受に伝達される力が最大となる速度）を大幅に低減することに寄与することになり、これにより、この第１臨界速度は公称ポンプ回転速度をかなり下回るので、臨界速度を超えた場合、回転子の自己バランス効果が得られるという結果になる。

更に、このような環状支持部材を設けることにより、軸受座部の機械的動作に依存する調芯誤差を補償することが可能になる。この調芯誤差はかなり大きくなり、例えば、ターボ分子ポンプにおいて使用される高速精密軸受に対してメーカが推奨する限界を超える場合が多々ある。
従来技術の場合、前記環状支持部材は弾力性があり、例えばニトリルゴムのようなゴム状弾性材で作られるのが好ましい。しかしながら、ゴム状弾性材の使用にも種々の欠点がある。

例えば、これらの支持部材においては、材料の機械的特性がばらつくので、異なるリング箇所では異なる剛性を示すため均一な機械的構造体を得ることは実質的に不可能である。同じ理由により、同一の機械的特性を示すゴム状弾性材製リングを複数個製造すること、および、設計段階でそれらの挙動を予測することはいずれも実現不能である。
更に、ゴム状弾性材の特性は、付与される荷重および（しばしば６０℃を超える）動作温度に起因して、時間経過により劣化し、その結果、支持部材の弾力性が失われるとともに永久的な変形が生ずることになる。このような弾力性の喪失は、他の欠点の中でも、回転子のバランスに対して特に深刻な結果をもたらし、回転子は、もはや半径方向に正しく保持されないので、ポンプ本体に対してより大きな振動を伝達することになる。

上記のように使用する場合、ゴム状弾性リングには、（直径寸法、直径同芯性などに関して）かなりの幾何学的精度が要求されるが、このような精度をこの種の材料について得ることは極めてむつかしい、ということも考えられる。
更に、真空ポンプに装着された転がり軸受は、通常、軸方向の予備荷重を受けるということを考慮しなければならない。例えば、図１に示す場合、予備荷重はスプリング１１９により付与される。転がり軸受の外側リングと弾性環状支持部材との間に存在する相当な軸方向摩擦により、この予備荷重が正しく付与されることが著しく妨げられる場合があり、これは、特にポンプ基部内に設けられた予備荷重スプリング１１９から、より離れた軸受１０７ａについて顕著である。

後者の問題を回避するために、金属インサートを弾性環状支持部材内部へ、環状支持部材の内壁に対応させて導入すること、または、摩擦を低減させるためにも内壁に表面処理を施すことが提案されている。
このような解決策は、直径方向の軸受面と支持リングとの間の軸方向摩擦を低減するが、ゴム状弾性材の機械的特性の摩耗に起因する劣化と均質性の欠如とに関連する先に述べた欠点を排除することはできない。

更に、この動作状態では接線方向の摩擦を低減させるが、この接線方向の摩擦はむしろ高い値に維持されて軸受の外側リングが環状支持部材に対して回動するのを防止するべきものである。
したがって、ゴム状弾性リングを、例えば波状薄帯（リボン）から得られた金属リングに置き換えることが従来から提案されている。

この種のリングの性能は通常、ゴム状弾性リングより高い。実際、波形形状は金属リングに対して弾性を付与し、その機械的特性は、均一であり、時間経過においても一定であり、かつ、金属硬さにより、金属リングが適応される軸受リングの円筒形状表面との軸方向摩擦をかなり低減する。
この種の金属支持リングの例は下記特許文献１、下記特許文献２および下記特許文献３に開示されている。

しかしながら、この種の解決策にも欠点がある。主たる欠点は、例えば成形された金属薄帯（リボン）から得られたリングの構造では、回転部分の回転方向に沿わない軸受接触面を有しているという事実に起因するものである。
この構造は、軸受のリングと支持部材との間の接線方向摩擦を相当に低減するという欠点をも有している。すなわち、この接線方向摩擦は十分に大きなものであって、支持部材が適応される軸受の外側リングが前記支持部材に対して回動するのを防止するものでなければならないからである。
仏国特許発明第２,７８９，４５９号明細書 米国特許第５，９７７，６７７号明細書 米国特許第６，６１７，７３３号明細書

したがって、本発明の主たる目的は、上記問題を解決することができる転がり軸受用環状支持部材を提供することである。この転がり軸受用環状支持部材は、環状支持部材と連動する回転軸または軸受により伝達される振動を効果的に抑制することができ、かつ、前記軸受のリングの表面または前記軸の表面との軸方向摩擦を低減させるとともに接線方向の摩擦はかなり大きな値に維持することができるように構成されている。

上記およびその他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載の支持リングにより達成することができる。
内側円筒状シェルと外側円筒状シェルとを結合すると共に弾性部材として機能するプレートを設けていることにより、振動を効果的に抑制することができる。
支持部材の弾性プレート間に、たとえばシリコーンゴム製の1つまたは複数のパッドを介在させることにより、減衰支持作用を増大させることができるという利点を有している。

本発明のいくつかの好ましい実施例を、非限定的な例として、添付図面を参照して以下に説明を行う。

図２には、本発明の好ましい実施形態に係る支持リング１が示されており、この支持リング１は外側円筒状シェル３と内側円筒状シェル５とを備えており、これらは複数のプレート９により相互に接続されている。
この実施形態において、内側シェル５は複数のスリット１７により分割され、これらのスリット１７は、複数のシュー７を区画するように、有利には等間隔で、対応する母線に沿って形成されており、各シュー７は対応するプレート９により外側シェル３に接続されている。

プレート９は弾性を有しているので、シュー７を弾性的に半径方向に移動させることができ、したがって、振動を、支持部材１を介して内部から外部へ半径方向に伝播するのを防止することができるという利点を有している。
更に、プレート９は、シェル３、５の母線に平行な面上でシェル３、５に関して斜めに傾いて設けられており、そして、湾曲形状、実質的にＳ字形状に形成されていることが有利である。

図２に示す実施形態において、支持部材１は一体物の外側シェル３と分割された内側シェル５とで形成されているが、内側シェル５が一体物でかつ外側シェル３が分割されていてもよい。この場合、環状支持部材１の外側シェル３に沿って配分されるシュー７とプレート９との構成を実質的に同一に維持した支持部材１を形成することも可能である。
図３ａを参照して、環状支持部材１は、その内部に転がり軸受１１を装着した状態で示されている。

支持部材１は全体的に金属、なるべくは、４８ＨＲＣ〜５０ＨＲＣ（ロックウエル硬度目盛り）へ焼き戻されたAISI440鋼のような硬度の高い金属で形成すると有利である。
軸受１１の外リング１３も通常、硬度の高い金属（５８ＨＲＣ〜６０ＨＲＣ）で形成されているので、前記リング１３とシュー７との間の軸方向の摩擦係数は極めて低減される。

環状支持部材１が独特の形状であるが故に、接線方向の摩擦はむしろ極めて高いという利点を有していることが理解されよう。
プレート９が独特に斜めに傾いた構成であり、そのＳ字形状であるが故に、軸受１１のリング１３が矢印Ｆで示す方向において軸２１の動きにより回転駆動されると、シュー７はリング１３に対してブロックすることになり、これにより、軸受１１の外リング１３の回転を妨げることになる。

環状支持部材１を製造するために使用する鋼を焼戻しすると、結果として、材料が最適な機械的特性、特に、高い耐疲労性を備えることになる。プレート９は、軸受１１が装着されている軸２１の回転数で振動し、ターボ分子真空ポンプの場合、通常、この回数は３３０Ｈｚ〜１５００Ｈｚと高いので、このような特性は最も重要である。
更に、軸受１１は半径方向に干渉された状態で支持リング１に挿入されており、これにより、疲労サイクルがパルスサイクルとなる。このパルスサイクルは、軸受とリングとの間に幾何学的干渉がない場合に得られるであろう「ゼロパルス」に関して、より弊害が少ないという利点を有している。

環状支持部材１の機械的特性は、外側シェル３および内側シェル５の厚みと、プレート９の数、構成および厚みと、シュー７の数とを実質的に操作することにより変動させることができることは理解されよう。
これらのパラメータが一旦設定されると、環状支持部材１の機械的特性は高い精度で決定され、また、これらの機械的特性は均質でありかつ時間経過においても一定であり、また、これらの機械的特性は工場での大量生産において大量のリングについて全く同一に再現させることができる。

特に、一体構造の円筒状リングからシュー７を形成すると共に、ワイヤ放電加工により軸方向開口１９とスリット１７とを形成することにより、環状支持部材１の剛性を極めて高い精度で決定することができる。
環状支持部材１の弾性に関する限り、プレート９は、軸２１により伝達されるばねとして作用する。

しかしながら、環状支持部材１の弾性特性を更に増加したい場合、シェル３、５とプレート９とにより区画される開口１９を、ゴムまたはシリコーン化合物のようなゴム状弾性材で充填することもできる。
この場合、この種の材料は軸受１１の外リング１３と接触しないので、外リング１３と環状支持部材１との間の軸方向摩擦が変更されることはないということは理解されよう。

図４によりよく示すように、各プレート９は、前記内側シェル５に形成された中間スリット１７の領域内に位置する母線に沿ってそれぞれのシュー７に接続されている。プレート９が傾斜して構成されているが故に、プレート９は、環状支持部材１の中央軸芯Ｃを通る２つの面Ｐ₁、Ｐ₂にそれぞれ位置する母線に沿って外側シェル３と内側シェル５とに、接続されている。

なるべくは、各プレート９は、矢印Ｆにより示される軸２１の回転方向に沿う対応するシューの部分Ａ₁とＡ₂とを形成するように選択された母線に沿って対応シュー７に接続されている。
更に、本発明において、プレート９と対応シュー７との間に接続領域を設けて、これにより、軸２１の回転方向と同一方向において前記領域から延びるシュー円弧Ａ₁が、軸２１の回転方向と反対方向に延びるシュー円弧Ａ₂より長さが長くなるようすると有利である。

更に、面Ｐ₁は対応シュー７と交差しているが、本発明の好ましい実施形態において、軸２１の回転方向と同一の方向において前記交差線から延びるシュー円弧Ａ₃の長さが、実質的にシュー円弧Ａ₂と同一にされている。
つまり、軸受１１は環状支持部材１内部で干渉されて装着されており、そして、これにより、軸受１１により付与される半径方向圧力によりシュー７をわずかに回転させることができるので、これが達成される。もし、プレート９をシュー７の中心に接続させると、この回転動作により、プレートとシューとの間の接続点で軸受１１の外リング１３とシュー７との間の密着性が失われるという結果になりかねない。反対に、シュー端部に関して中心とならない母線に沿った片寄った接続点において、プレート９をシュー７に接続することにより、軸受１１の外リング１３とシュー７との間の接触を、特に、プレート９により与えられる弾性力が付与される前記母線付近において、増大させることが可能になる。

シューと弾性プレートとを備えた構造体であるということにより、本発明に係る支持部材は接線方向において高い摩擦を有し、軸方向における摩擦は極めて低減されるという利点を有している。
本発明において、上述の環状支持部材は、図３ａに示すように、軸受と、軸受座部との間でのみ使用されるものではなく、軸受と、適切な静止軸（例えばターボ分子ポンプの場合）との間でも使用されるものであり、この場合、外側軸受リングは回転リングとなる。

図３ｂは、軸受１１が環状支持部材１の外側に使用され、この支持部材が軸２１に直接当接して載置される場合のリング1の装着構成例を示している。この装着構成の場合も、外側シェル３は軸受の内側リング１５に統合されることができるという利点があり、したがって、支持部材１は軸受１１と一体的に形成することができる ということが理解されよう。

同様に、図３ｃに示す本発明の支持部材の別の実施形態において、一体シェル３´は軸受の静止外側リングに一体的に構成され、他方、シュー７は外側に向けられて、軸受を収容する座部と当接している。
更に、図３ａを参照に先に開示された場合になされた配慮を、この場合にも実質的に適応することができる。

本発明に係る環状支持部材は、支持部材と協働する軸受により伝達される振動を効果的に抑制することができるとともに軸方向の摩擦をかなり低減することができるので、所期の目的を達成することができることは明白である。
しかしながら、このように形成された環状支持部材は、同時に、接線方向において高い摩擦を有することができるので、支持部材と協働する軸または軸受と、前記環状支持部材との間の相対回転動作を防止することができるという利点もある。

更に、上記説明は、非限定的な一例として示したものであり、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更を行うことは可能であることは明白である。

従来技術のターボ分子ポンプの一例の断面図である。 好ましい実施形態による本発明の支持部材の斜視図である。 図２に示す支持部材の装着構成例を示す平面図である。 図２に示す支持部材の装着構成例を示す平面図である。 第２の好ましい実施形態における本発明の支持部材の装着構成を示す平面図である。 図３ａまたは図３ｂの拡大詳細図である。

Claims (18)

1. 複数の半径方向プレート（９）により相互に接続された一対の同軸状円筒状シェル（３，５）を含み、
   前記円筒状シェル（３，５）の少なくとも一方は円周方向に分割されて複数のシュー（７）を形成しており、
   各シューは前記放射状プレート（９）の1つに接続されて、長さの異なるシューの部分であるシュー円弧（Ａ₁，Ａ₂）を形成していることを特徴とする転がり軸受（１１）用支持部材（１）。
2. 前記一対の同軸状円筒状シェル（３，５）のうち、内側円筒状シェル（５）は円周方向に分割されて前記複数のシュー（７）を形成し、外側円筒状シェル（３）は連続体であることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
3. 前記一対の同軸状円筒状シェル（３，５）のうち、外側円筒状シェル（３）は円周方向に分割されて前記複数のシュー（７）を形成し、内側円筒状シェル（５）は連続体であることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
4. 前記半径方向プレート（９）は、弾性を有しており、かつ前記シュー（７）の半径方向の移動を許容することを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
5. 前記複数のシューは、等間隔に離間した割れ目により分離されていることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
6. 前記複数のシューは割れ目により分離され、これらの割れ目は前記同軸状円筒状シェル（３，５）の母線と平行な軸方向スリット（１７）により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
7. 前記半径方向プレート（９）は傾斜しており、また、前記半径方向プレート（９）は、前記環状支持部材（１）の中心軸芯（Ｃ）を通る複数の面（Ｐ₁，Ｐ₂）内に位置する母線に沿って、前記一対の同軸状円筒状シェル（３，５）のうち、外側円筒状シェル（３）と内側円筒状シェル（５）とに接続されていることを特徴とする請求項６に記載の支持部材。
8. 前記転がり軸受（１１）の回転部分の回転方向に沿う対応するシューの部分であるシュー円弧（Ａ₁，Ａ₂）を形成するように選択された母線に沿って、各径方向プレート（９）が前記対応するシュー（７）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の支持部材。
9. 前記径方向プレート（９）との接続部分から、前記転がり軸受（１１）の回転部分の回転方向と同一方向に延びる前記シュー円弧（Ａ₁）は、転がり軸受（１１）の前記回転部分の回転方向と反対方向に延びる前記シュー円弧（Ａ₂）よりも、長さが長いことを特徴とする請求項８に記載の支持部材。
10. 母線が面内に位置する第１面（Ｐ₁）であって、この第１面内の母線に沿って、前記半径方向プレート（９）が前記外側円筒状シェル（３）に接続されている第１面（Ｐ₁）と、母線が面内に位置する第２面（Ｐ₂）であって、この第２面内の母線に沿って、前記半径方向プレート（９）が前記内側円筒状シェル（５）に接続されている第２面（Ｐ₂）とが、前記第１面（Ｐ₁）との交差線から前記シュー（７）の一端部へ延びるシュー円弧（Ａ₃）の長さが、前記第２面（Ｐ₂）との交差線から前記シュー（７）の他端部へ延びるシュー円弧（Ａ₂）の長さと実質的に同一となるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の支持部材。
11. 前記半径方向プレート（９）は実質的にＳ字状であることを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
12. 前記シェル（３，５）間に介在する弾性材を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の支持部材。
13. 前記弾性材はゴムまたはシリコーン化合物のようなエラストマーであることを特徴とする請求項１２に記載の支持部材。
14. 外側の第１のリング（１３）と、内側の第２のリング（１５）と、前記リング（１３，１５）間に介在された複数の球体またはコロとを有する転がり軸受（１１）であって、
    前記外側および内側の第１および第２のリング（１３，１５）と同軸状で、かつ、複数の半径方向プレート（９）により前記外側および内側の前記第１および第２のリング（１３，１５）に接続された円筒状シェル（３）を含み、
    前記シェル（３）は複数のシュー（７）を形成するように分割されており、各シュー（７）は前記半径方向プレート（９）の１つに接続されて、異なる長さのシューの部分であるシュー円弧（Ａ₁，Ａ₂）を形成していることを特徴とする転がり軸受（１１）。
15. 前記リングが、金属で形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の転がり軸受。
16. 前記リングが、鍛鋼で形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の転がり軸受。
17. 電動機（１０９）により回転されるとともに少なくとも1つの転がり機械軸受（１０７ａ，１０７ｂ）により支持された回転軸（１０５）を含み、前記回転軸（１０５）は、ガスポンピング用固定子リングと協働する回転子ディスク（１０３）を備えている、回転真空ポンプであって、
    前記転がり軸受け（１０７ａ，１０７ｂ）と対応する座部（１１５）との間、および／または前記軸受（１０７ａ，１０７ｂ）と前記軸（１０５）との間に設けられた支持リング（１）を含み、
    前記支持リングは、複数の放射状プレート（９）により相互に接続された一対の同軸状円筒状シェル（３，５）を含み、前記シェル（３，５）の少なくとも一方は円周方向に分割されて複数のシュー（７）を形成しており、各シューは前記半径方向プレート（９）の１つに接続されて、長さの異なるシューの部分であるシュー円弧（Ａ₁，Ａ₂）を形成していることを特徴とする回転真空ポンプ。
18. 当該ポンプが、ターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１７に記載の回転真空ポンプ。

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