JP2000304037A - 気体動圧軸受及びこれを用いたモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低速回転においても安定に作動する構造
にすること 【解決手段】 気体動圧軸受(10)は、円筒状の外周面領
域を有するリング(16)と、前記外周面領域と対向する内
周面領域を有する筒状部(14)を備えるハウジング(14)と
を含む。前記外周面領域又は前記内周面領域は、これら
両面領域の間をラジアル動圧軸受領域(32)として作用さ
せる複数のラジアル動圧溝(36)を有する。ハウジング(1
4)及びリング(16)は互いに対向する平坦面領域を有し、
それらの一方は両片端面領域の間をスラスト動圧軸受領
域(34,36)として作用させる複数のラジアル動圧溝(38,4
0)を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気のような気体
を利用する気体動圧軸受及びこれを用いたモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】気体動圧軸受は、一般に、空気のような
気体を回転体の回転により高圧化させて軸受機能を生じ
させる。そのような気体動圧軸受は、ラジアル荷重用の
ラジアル動圧軸受領域（ラジアル軸受間隙）と、スラス
ト荷重用のスラスト動圧軸受領域（スラスト軸受間隙）
との両者又はそれらのいずれか一方を備えており、また
レーザ・プリンタの光走査システムにおけるスキャナー
・モータのように、２万ｒｐｍから３万ｒｐｍ以上とい
う高速回転の機器に多く利用されている。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかし、ラジアル軸受領域を
備える従来の気体動圧軸受は、ラジアル軸受領域がラジ
アル軸受板と、これを同軸的に及び回転可能に貫通する
シャフトとにより形成されるため、ハード・ディスク駆
動用（ＨＤＤ用）のスピンドルモータのように、１万ｒ
ｐｍ以下の低速回転機器に用いることが難しい。

【０００４】本発明者らは、各種の実験及び研究の結
果、上記問題は、従来の気体動圧軸受では、ラジアル軸
受領域の直径寸法が小さいため、低速回転機器に用いる
と、充分な動圧が発生せず、回転が不安定になることに
起因することを見いだした。

【０００５】それゆえに、気体動圧軸受においては、低
速回転においても安定に作動することが重要である。

【０００６】

【解決手段、作用及び効果】本発明の気体動圧軸受は、
円筒状の外周面領域を有するリングと、前記外周面領域
と対向する内周面領域を有する筒状部を備えるハウジン
グとを含む。前記外周面領域又は前記内周面領域は、こ
れら両面領域の間をラジアル動圧軸受領域として作用さ
せる複数のラジアル動圧溝を有する。

【０００７】リングは、モータのような回転機器と共通
のシャフトに装着されて、そのシャフトに支持される。
リング及びハウジングのいずれか一方は回転機器のステ
ータ側に組み付けられ、リング及びハウジングの他方は
回転機器のロータ側に組み付けられる。リング又はハウ
ジングが回転されると、気体はラジアル動圧溝を経て移
動し、それによりラジアル動圧がリングの外周面領域と
ハウジングの内周面領域との間に発生する。これによ
り、リングの外周面領域とハウジングの内周面領域との
間は、ラジアル動圧軸受領域として作用する。

【０００８】上記のようにリングを用い、該リングの外
周面領域とハウジングの内周面領域とによりラジアル動
圧軸受領域を形成すると、ラジアル動圧軸受領域をシャ
フトの外周面領域とリングの内周面領域とにより形成し
た場合に比べ、ラジアル動圧軸受領域の直径寸法が大き
いから、ラジアル動圧軸受領域の周速度が速くなる。そ
の結果、本発明の気体動圧軸受は、低速回転において
も、充分な動圧を発生し、安定に作動する。

【０００９】前記リングは、さらに、その軸線と直交す
る第１の平坦面領域を前記軸線方向における一方側に有
し、前記ハウジングは、さらに、前記第１の平坦面領域
と対向する第２の平坦面領域を有する板状部を備え、前
記第１又は第２の平坦面領域はこれら第１及び第２の平
坦面領域の間をスラスト動圧軸受領域として作用させる
複数のスラスト動圧溝を有することができる。このよう
な気体動圧軸受は、ラジアル軸受としての機能のみなら
ず、スラスト軸受としての機能をも有する。

【００１０】前記リングは、さらに、その軸線と直交す
る第３の平坦面領域を前記軸線方向における他方側に有
し、前記ハウジングは、さらに、前記第３の平坦面領域
と対向する第４の平坦面領域を有する第２の板状部を備
え、前記第３又は第４の平坦面領域はこれら第３及び第
４の平坦面領域の間をスラスト動圧軸受領域として作用
させる複数のスラスト動圧溝を有することができる。こ
のようにすれば、リングの両側にスラスト動圧軸受領域
が形成される。

【００１１】前記板状部は前記筒状部の一端に続く内向
きフランジの形とすることができる。この場合、スラス
ト動圧溝は、気体がスラスト動圧溝内を半径方向内方か
ら半径方向外方へ移動する形状を有していてもよいし、
気体がスラスト動圧溝内を半径方向外方から半径方向内
方へ移動する形状を有していてもよい。

【００１２】スラスト動圧溝が後者の場合、前記ハウジ
ングはこれの外から伸びて前記筒状部と前記板状部との
境界部近傍に開放する１以上の気体通路を有することが
できる。このようにすれば、充分な動圧を得ることがで
きるにもかかわらず、筒状部と板状部との境界付近にお
ける気体の圧力低下を防止することができる。

【００１３】本発明のモータは、請求項１から５のいず
れか１項に記載の気体動圧軸受と、該気体動圧軸受が収
容されたケーシングと、前記気体動圧軸受を同軸的に貫
通するシャフトと、前記気体動圧軸受に対しその軸線方
向における一方側に配置されて前記シャフトに同軸的に
装着された電磁石と、前記ケーシング内にあって前記電
磁石の周りに配置された永久磁石とを含む。前記気体動
圧軸受の前記リングは前記シャフトに装着されており、
前記気体動圧軸受の前記ハウジングは前記ケーシングに
組み付けられている。

【００１４】そのようなモータは、リングの外周面領域
とハウジングの内周面領域との間がラジアル動圧軸受領
域として作用するから、低速回転においても、充分な動
圧が発生し、安定に作動する。

【００１５】さらに、前記電磁石に対し前記気体動圧軸
受と反対の側に配置された請求項１から５のいずれか１
項に記載の第２の気体動圧軸受を含み、前記第２の気体
動圧軸受の前記リングは前記シャフトに装着されてお
り、前記第２の気体動圧軸受の前記ハウジングは前記ケ
ーシングに組み付けられていてもよい。このようにすれ
ば、軸線方向における電磁石の両側に気体動圧軸受が配
置されるから、モータの回転が安定する。

【００１６】気体動圧軸受のシャフトと、モータのシャ
フトとを共通のシャフトとすることができる。また、気
体動圧軸受のハウジングの一部（例えば、筒状部）の機
能をケーシングに持たせてもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１を参照するに、気体動圧軸受
１０は、気体として空気を用いる。気体動圧軸受１０の
回転軸線を符号１２で示す。

【００１８】気体動圧軸受１０は、スリーブすなわちハ
ウジング１４と、回転軸線１２の周りに回転可能にハウ
ジング１４内に配置された厚い円板状のリング１６と、
ハウジング１４及びリング１６を同軸的に貫通するシャ
フト１８と、シャフト１８の一端部に配置された磁性流
体シール２０とを含む。この気体動圧軸受１０におい
て、ハウジング１４及びリング１６のいずれか一方が回
転機器のロータ側に組み付けられ、他方が回転機器のス
テータ側に組み付けられる。

【００１９】ハウジング１４は、筒状部２２の一端及び
他端にそれぞれ板状部２４及び２６を形成している。板
状部２４及び２６は、筒状部２２の対応する端から内方
へ一体的に伸びる内向きフランジの形状を有する。これ
により、リング１６を配置する空間が形成されている。

【００２０】筒状部２２と板状部２４及び２６との境界
部近傍には、ハウジング１４の内外を連通させる複数の
気体通路２８が形成されている。図示の例では、気体通
路２８は、筒状部２２の内部及び外部に開放している。
しかし、気体通路２８を板状部２４及び２６に設けても
よい。

【００２１】リング１６は、外周面領域と、この外周面
領域の一端及び他端に続く２つの平坦面領域とを有する
円筒軸の形を有しており、またシャフト１８に相対的回
転不能に装着されている。

【００２２】シャフト１８は、ハウジング１４の内部空
間及びリング１６の中心部を貫通しており、また一端部
において磁性流体シール２０によりハウジング１４の板
状部２４に相対的回転可能に接続されている。後に説明
するように、シャフト１８は、モータのような回転機器
のシャフトと共通のシャフトとすることができる。

【００２３】ハウジング１４の内部空間の寸法とリング
１６の外形寸法とは、筒状部２２の内周面領域とリング
１６の外周面領域との間をスラスト動圧軸受領域３０と
して利用することができ、板状部２４及び２６の環状の
平坦面領域とリング１６の環状の平坦面領域との間をラ
ジアル動圧軸受領域３２及び３４として利用することが
できる値（大きさ）とされている。それゆえに、ハウジ
ング１４とリング１６との間にわずかな間隙が形成され
ている。

【００２４】図示の実施例では、複数のラジアル動圧溝
３６がリング１６の外周面領域に形成されており、また
リング状をした複数のスラスト動圧溝３８及び４０がそ
れぞれリング１６の一方及び他方の平坦面領域に形成さ
れている。しかし、これとは逆に、複数のラジアル動圧
溝を筒状部２２の内周面領域に形成してもよいし、複数
のスラスト動圧溝を板状部２４及び２６の平坦面領域の
それぞれに形成してもよい。

【００２５】ラジアル動圧溝３６は、その一例を図２に
示すように、ハウジング１４又はリング１６の回転にと
もなって、空気を回転軸線１２の方向におけるリング１
６の端部側から中央側へ案内する形状を有するへリング
ボーン動圧溝である。これに対し、スラスト動圧溝３８
及び４０は、その一例を図３に示すように、ハウジング
１４又はリング１６の回転にともなって、空気をリング
１６の半径方向外方から内方へ案内する形状を有するス
パイラル動圧溝である。

【００２６】ハウジング１４及びリング１６のいずれか
一方が所定の方向へ回転されると、筒状部２２と板状部
２４との境界部近傍の空気、及び筒状部２２と板状部２
６との境界部近傍の空気は、ラジアル動圧溝３６内を軸
線１２の方向における端部側から中央部側に向けて移動
されると共に、スラスト動圧溝３８及び４０内をリング
１６の半径方向外方から内方へ移動される。これによ
り、ラジアル動圧軸受領域３０に所定のラジアル動圧が
発生すると共に、スラスト動圧軸受領域３２及び３４に
所定のスラスト動圧が発生し、その結果気体動圧軸受１
０は安定に作動する。

【００２７】筒状部２２と板状部２４及び２６との境界
部近傍の空気圧は、空気がスラスト動圧溝３８及び４０
内を半径方向中心側へ強制的に移動されることにより、
低下する。しかし、その圧力低下分に対応する量の空気
は気体通路２８からハウジング１４内に吸引される。

【００２８】気体動圧軸受１０は、リング１６をシャフ
ト１８の取り付け、ラジアル動圧軸受領域３０をハウジ
ング１４の内周面領域とリング１６の外周面領域とによ
り形成しているから、ラジアル動圧軸受領域をリング１
６の内周面領域とシャフト１８の外周面領域とにより形
成する場合に比べ、ラジアル動圧軸受領域３０の直径寸
法が大きくなり、ラジアル動圧軸受領域３０の周速度が
速くなる。その結果、低速回転機器に用いても又はシャ
フト１８が細くても、気体動圧軸受１０は充分なラジア
ル動圧が発生し、安定に作動する。

【００２９】また、気体動圧軸受１０は、板状部２４及
び２６とリング１６の両平坦面領域との間にそれぞれス
ラスト動圧軸受領域３２及び３４を設けたから、ラジア
ル軸受としての機能のみならず、スラスト軸受としての
機能をも有すると共に、安定して作動する。

【００３０】さらに、気体動圧軸受１０は、スラスト動
圧溝３８及び４０が気体をリング１６の半径方向外方か
ら半径方向内方へ移動させる形状を有する形状、換言す
ればスラスト動圧を効果的に発生する形状を有している
にもかかわらず、筒状部２２と板状部２４及び２６との
境界付近における気体の圧力低下が気体通路１８により
防止され、その結果より低速の回転機器に用いても安定
に作動する。

【００３１】上記実施例において、ハウジング１４は、
筒状部２２及び板状部２４，２６を別々に製作し、それ
らの部材をハウジングに組み立ててもよいし、筒状部材
２２と板状部材２４（又は、２６）とを一体に製作し、
筒状部材２６（又は、２４）を別途製作し、それら両部
材をハウジングに組み立ててもよい。

【００３２】図４を参照するに、気体動圧軸受１０とこ
れを用いるモータ５０とは、シャフト５２を共通のシャ
フトとして用いていると共に、回転軸線１２を共通にし
ている。このモータ５０は、ハード・ディスク駆動用の
スピンドルモータとして組み立てられており、したがっ
てシャフト５２を固定側とし、シャフト５２が上下方向
へ伸びる状態で利用される。

【００３３】モータ５０は、気体動圧軸受及び共通のシ
ャフト５２のほかに、気体動圧軸受１０を収容するロー
タすなわちケーシング５４と、気体動圧軸受１０に対し
軸線１２の方向における一方側に配置されてシャフト５
２に同軸的に装着された電機子すなわち電磁石５６と、
ケーシング５４内にあって電磁石５６の周りに配置され
たリング状の永久磁石５８とを含む。

【００３４】シャフト５２は、ケーシング５４、気体動
圧軸受１０及び電磁石５６を同軸的に貫通しており、ま
た磁性流体シール２０により一端部においてケーシング
に回転可能に組み合わされている。シャフト５２は、ま
た、その下端部においてベース６０に結合されて、ベー
ス６０に直立の状態に支持されている。

【００３５】ケーシング５４は、筒状の主体部６４と、
主体部６４の上端に続く底部６６と、主体部６４の下端
に続くフランジ部６８とにより、シルクハットの形状を
有しており、また、気体動圧軸受１０を主体部６４内の
上部（奥部）に収容し、電磁石５６を主体部６４内の下
部に収容している。

【００３６】電磁石５６は、軸線１２の周りに角度的間
隔をおいた複数の磁極部を有する鉄心７０と、各磁極部
に巻かれたコイル７２とにより、ステータ電機子として
構成されており、また鉄心７０においてシャフト５２に
相対的回転不能に取り付けられている。

【００３７】永久磁石５８は、フェライトのような永久
磁石材料により短い筒の形に形成されており、またケー
シング５４の内面に相対的回転不能に同軸的に取り付け
られている。永久磁石５８は、軸線１２の周りに角度的
間隔をおいた複数の磁極面部を内周面に有する。周方向
に隣り合う磁極面部は、異なる極性（Ｎ又はＳ）とされ
ている。

【００３８】気体動圧軸受１０は、ハウジング１４の筒
状部２２をケーシング５４の内面に回転不能に取り付け
られ、リング１６をシャフト５２に回転不能に取り付け
られている。ケーシング５４は、気体動圧軸受１０の気
体通路２８をハウジング１４の外部に連通させる複数の
気体通路７４を有する。気体通路７４は、図示の例で
は、電磁石５６の配置空間に開放している。

【００３９】モータ５０をハード・ディスク用駆動源と
して用いる場合、複数のハード・ディスクがそれらの中
心穴をケーシング５４の筒状部６４に嵌合させた状態
に、フランジ部６８に載置される。この状態において、
電磁石５６に通電されると、永久磁石５８が回転され、
それによりハウジング１４及びケーシング５４が回転さ
れる。

【００４０】モータ５０は、リング１６の外周面領域と
ハウジング１４の内周面領域との間がラジアル動圧軸受
領域３０として作用するから、１万ｒｐｍ以下の低速回
転であっても、充分なラジアル動圧が発生し、安定に作
動する。また、２つのトラスト動圧軸受領域３２，３４
を有するから、より安定に作動する。

【００４１】図５を参照するに、モータ８０は、電磁石
５６の上側と下側のそれぞれに気体動圧軸受１０を配置
して、回転源のロータ部分をその両側で支持している。
このため、モータ８０の回転は、図４に示すモータ５０
に比べ、安定である。モータ８０では、円板状の蓋８２
をケーシング５４の下端部に配置している。類似の蓋を
図４に示すモータ５０のケーシング５４に配置してもよ
い。

【００４２】モータ５０及び８０を３．５インチ・サイ
ズのハード・ディスクを１万ｒｐｍ以下、特に４０００
ｒｐｍ程度の低速度で回転させる小さいスピンドルモー
タとして用いた結果、モータ５０及び８０は、いずれ
も、従来のオイル動圧軸受のようなオイル漏れを生じる
ことなく、ハード・ディスクを定消費電力で安定に回転
させることができ、また振動ノイズが従来のオイル動圧
軸受より小さくなった。その結果、ハード・ディスクへ
の記録密度をこれまでより高めることが可能になった。

【００４３】本発明の気体動圧軸受は、モータのみなら
ず、他の回転機器にも用いることができるし、ハウジン
グ１４とケーシング５４とを別部材とする回転機器のみ
ならず、ハウジング１４の一部（例えば、筒状部２２）
の機能をケーシング５４（例えば、筒状部６４）に持た
せた回転機器にも用いることができる。

【００４４】本発明は、シャフト１８，５２及びリング
１６及び電磁石５６を固定側とする回転機器のみなら
ず、それらを回転側とする回転機器にも適用することが
できる。本発明は、また、回転軸線が上下方向へ伸びる
回転機器のみならず、回転軸線が他の方向（例えば、水
平方向又は斜めに傾斜した方向）へ伸びる回転機器にも
適用することができる。

【００４５】本発明は、上記実施例に限定されない。例
えば、複数のラジアル動圧軸受領域を設けてもよいし、
一方のスラスト軸受領域又は両スラスト軸受領域を設け
なくてもよい。また、スラスト動圧軸受領域を備えない
場合、リングは鉄道用車両の車輪のような形状を有して
いてもよい。さらに、ラジアル動圧溝は、空気をリング
の中心側から外方へ案内する形状であってもよい。それ
ゆえに、本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、種々変
更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る気体動圧軸受の一実施例を示す断
面図

【図２】ラジアル動圧溝の一例を示す展開図

【図３】スラスト動圧溝の一例を示す平面図

【図４】図１に示す気体動圧溝を用いたモータの一実施
例を示す断面図

【図５】図１に示す気体動圧溝を２つ用いたモータの一
実施例を示す断面図

【符号の説明】

１０ 気体動圧軸受 １２ 回転軸線 １４ ハウジング １６ リング １８，５２ シャフト ２２ 筒状部 ２４，２６ 板状部 ２８，７４ 気体通路 ３０ ラジアル動圧軸受領域 ３２，３４ スラスト動圧軸受領域 ３６ ラジアル動圧溝 ３８，４０ スラスト動圧溝 ５０，８０ モータ ５４ ケーシング ５６ 電磁石（電機子） ５８ 永久磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 21/28 Ｈ０２Ｋ 21/28 (72)発明者 太田 敦司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 似鳥 幸司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 3J011 AA02 BA04 CA02 KA02 KA04 LA05 MA02 MA21 5D109 BB05 BB18 BB21 BB22 5H607 AA04 BB01 BB14 BB17 BB25 BB26 CC01 DD01 DD02 DD03 DD05 DD16 FF01 GG01 GG02 GG12 GG14 5H621 AA04 GA11 HH01 JK17 JK19

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の外周面領域を有するリングと、
   前記外周面領域と対向する内周面領域を有する筒状部を
   備えるハウジングとを含み、前記外周面領域又は前記内
   周面領域はこれら両面領域の間をラジアル動圧軸受領域
   として作用させる複数のラジアル動圧溝を有する、気体
   動圧軸受。
2. 【請求項２】 前記リングは、さらに、その軸線と直交
   しかつ該軸線の周りを伸びる第１の平坦面領域を前記軸
   線方向における一方側に有し、前記ハウジングは、さら
   に、前記第１の平坦面領域と対向する第２の平坦面領域
   を有する板状部を備え、前記第１又は第２の平坦面領域
   はこれら第１及び第２の平坦面領域の間をスラスト動圧
   軸受領域として作用させる複数のスラスト動圧溝を有す
   る、請求項１に記載の気体動圧軸受。
3. 【請求項３】 前記板状部は前記筒状部の一端に続く内
   向きフランジの形を有しており、前記ハウジングはこれ
   の外から伸びて前記筒状部と前記板状部との境界部近傍
   に開放する１以上の気体通路を有する、請求項２に記載
   の気体動圧軸受。
4. 【請求項４】 前記リングは、さらに、その軸線と直交
   する第３の平坦面領域を前記軸線方向における他方側に
   有し、前記ハウジングは、さらに、前記第３の平坦面領
   域と対向する第４の平坦面領域を有する第２の板状部を
   備え、前記第３又は第４の平坦面領域はこれら第３及び
   第４の平坦面領域の間をスラスト動圧軸受領域として作
   用させる複数のスラスト動圧溝を有する、請求項２又は
   ３に記載の気体動圧軸受。
5. 【請求項５】 前記第２の板状部は前記筒状部の他端に
   続く内向きフランジの形を有しており、前記ハウジング
   はこれの外から伸びて前記筒状部と前記第２の板状部と
   の境界部近傍に開放する１以上の第２の気体通路を有す
   る、請求項４に記載の気体動圧軸受。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項に記載の
   気体動圧軸受と、該気体動圧軸受が収容されたケーシン
   グと、前記気体動圧軸受を同軸的に貫通するシャフト
   と、前記気体動圧軸受に対しその軸線方向における一方
   側に配置されて前記シャフトに同軸的に装着された電磁
   石と、前記ケーシング内にあって前記電磁石の周りに配
   置された永久磁石とを含み、前記気体動圧軸受の前記リ
   ングは前記シャフトに装着されており、前記気体動圧軸
   受の前記ハウジングは前記ケーシングに組み付けられて
   いる、モータ。
7. 【請求項７】 さらに、前記電磁石に対し前記気体動圧
   軸受と反対の側に配置された請求項１から５のいずれか
   １項に記載の第２の気体動圧軸受を含み、前記第２の気
   体動圧軸受の前記リングは前記シャフトに装着されてお
   り、前記第２の気体動圧軸受の前記ハウジングは前記ケ
   ーシングに組み付けられている、請求項６に記載のモー
   タ。
8. 【請求項８】 気体動圧軸受のシャフトと、モータのシ
   ャフトとは共通である、請求項６又は７に記載のモー
   タ。