JP2000310221A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動圧軸受装置において、軸受の回転の安定性
と耐摩耗性とを向上させることを目的とする。 【解決手段】 軸９の内部に中空部を設け、動圧発生溝
１０によるスリーブ内空間１２の増圧部１２ａ近傍およ
び減圧部１２ｂ近傍に中空部４と連通する連通穴５ａ、
５ｂを設けることにより、減圧部１２ｂの圧力を高め
る。また、通気板１ａを耐摩耗性の高い材料からなり、
軸９の自由端面９ａと対向する面を凸型形状のものとす
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、動圧軸受装置にお
いて、軸受の回転の安定性及び信頼性に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、軸受応用機器の高性能化に伴い、
動圧軸受装置を用いた機器が増加している。

【０００３】従来の動圧気体軸受装置について、図３及
び４に基づき以下に説明する。図３は従来例である動圧
軸受装置の断面図である。ここで軸９のみは断面ではな
く側面を描いている。図４は、スリーブ１１の回転時、
スリーブ内空間１２における流体の圧力の軸９ラジアル
方向成分が示すスラスト方向での変化（以下、ラジアル
方向の圧力分布という。）を示す。

【０００４】この動圧軸受装置では、軸９の軸方向の一
端面がベース８に固定され、その外周面がスリーブ１１
の内周面に対向するように挿入されている。スリーブ１
１は軸９の中心軸のまわりを回転できる。ベース８に設
けられたコイル７に電流が流れると、スリーブ１１に取
り付けたマグネット６とコイル７との間に電磁力が発生
する。この電磁力によりスリーブ１１が回転する。

【０００５】軸９の外周面には、複数の動圧発生溝１０
が設けられている。スリーブ１１が回転すると、この動
圧発生溝１０の後述するポンピング作用で軸９とスリー
ブ１１との間のスリーブ内空間１２において、流体（空
気等）の圧力の比較的高い部分が発生する。この圧力
が、スリーブ１１を軸９のラジアル方向（遠心方向）に
対して支持する。更に、後述するように、動圧発生溝１
０のポンピング作用において、軸９のスラスト方向（軸
方向）に沿った向き（図３の上又は下向き）によってそ
の効果に差を付けることもできる。こうすると、スリー
ブ内空間１２中の流体に、スラスト方向に沿って軸９の
固定されていない端（自由端）へ向かう向き（図３の上
向き）の流れが生じる。この流れにより、軸９の自由端
とスリーブ１１との間隙で流体の圧力が比較的高くな
る。この圧力がスリーブ内空間１２を閉塞するキャップ
３に作用し、スリーブ１１をスラスト方向に支持する。
軸９の軸方向を実質的に鉛直方向とする場合は、この圧
力によりスリーブ１１は浮上する。このときの浮上量
は、スリーブ１１に固定された通気板１ｂに設けた通気
穴２を用いた流体の圧力調整により調節される。

【０００６】以上の構成により、スリーブ１１は軸９と
の距離を高精度に保ちつつ回転できる。

【０００７】前記動圧発生溝１０のポンピング作用と
は、以下のような現象をいう。スリーブ１１等の回転に
より、軸９の外周面近傍の流体は、主に動圧発生溝１０
に沿って流れる。なお、動圧発生溝１０は流体がそれに
沿って流れる傾向の強くなる形状とする。従来例では、
一般に幅(1mm程)に対して深さがごく浅い(10μm程)溝で
あり、またその溝の深さは、軸９の外周面とそれと対向
するスリーブ１１の内周面との間隙程度としている。

【０００８】動圧発生溝１０の形状は、それに沿った流
れにより流体がスリーブ内空間１２の一部の領域に集中
するように形成される。従来例では、図３のような形状
である。この場合、図３及び図４に示すように、回転の
向きがAの矢印の向きとすると、流体は動圧発生溝１０
の折れ曲がる点近傍12a（図４）に集中する。流体が集
中すると、その領域の圧力が、他の領域より高くなる。
このように、流体を低圧部から高圧部へと移動させるの
で、この現象をポンピング作用という。このポンピング
作用の効果は、動圧発生溝１０の形状または大きさによ
り異なる。この差異を利用して、前述のように軸９のス
ラスト方向に沿って軸９の自由端に向かう（以下、スラ
スト方向上向きという）流体の流れも起こすことができ
る。従来例では、図４のように、回転の向きをAとする
と、スラスト方向上向き成分を含む流れを起こす動圧発
生溝１０の領域１２ｃが、スラスト方向下向き成分を含
む流れを起こす領域１２ｄより広い。従って、スラスト
方向上向きの流量が下向きのものより多くなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来例の動圧軸受装置
において回転時に保つスリーブ１１と軸９との間隙の精
度をより高くするには、一つは、軸受のラジアル方向の
剛性および負荷容量を大きくすること、もう一つは摩耗
粉の発生を抑えることが必要である。

【００１０】ここで、軸受のラジアル方向の剛性とは、
スリーブ１１等に接続された負荷（外部負荷）が軸受装
置に及ぼす軸９のラジアル方向の外力に対するスリーブ
１１等のラジアル方向へのズレにくさをいう。また同じ
く負荷容量とは、ラジアル方向でのスリーブ１１のズレ
が設計上の許容限界となるような前記外力の大きさをい
い、スリーブ内空間１２の流体がスリーブ１１に及ぼす
ラジアル方向の圧力の総和に実質的に相当する。

【００１１】まず、軸受のラジアル方向の剛性及び負荷
容量を大きくすると、スリーブ１１の回転に外部負荷の
外力が与える影響を小さくできる。これにより、スリー
ブ１１の回転の安定性が向上する。

【００１２】従来例の動圧軸受装置で、所定の回転数に
おけるラジアル方向の剛性及び負荷容量を大きくするに
は、スリーブ１１の内周面に対向する軸９の外周面の面
積を大きくすることが考えられる。しかし、軸９の長さ
や径は、軸受装置の用途や加工精度等により制約され、
大きさに限界がある。従って、軸９の長さや径を変える
ことなく、前記剛性と負荷容量を大きくする必要があっ
た。それには、図４に示す圧力分布の凹部をなくすこと
が必要であった。従来例では動圧発生溝１０が生じる減
圧部１２ｂのため、圧力分布に凹部が生じる。この分、
圧力の総和が減少していた。

【００１３】次に、スリーブ内空間１２中の摩耗粉の量
を少なくすると、摩耗粉が通気穴２や動圧発生溝１０に
詰まって機能を低下させたり、スリーブ内空間１２を塞
いでスリーブ１１等の回転をロックさせたりする可能性
を減らすことができる。これにより、スリーブ１１等の
回転の信頼性が向上する。

【００１４】従来例の動圧軸受装置では、摩耗粉の発生
の主原因が、スリーブ１１等の回転の起動直後及び停止
直前における軸９と通気板１ｂとの接触にあった。従っ
て、摩耗粉の発生を抑えるには、軸９と通気板１ｂとが
接触する回転数を出来るだけ低くすること、及び通気板
１ｂを形成する素材の耐摩耗性を高くすることが必要で
あった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の動圧軸受装置は、内周面に対向する側面を
有する物の周りを相対的に回転可能なスリーブと、外周
面が前記スリーブの内周面と対向するように挿入され、
前記スリーブを相対的に回転可能とする軸と、前記軸の
軸方向の一端部を固定するベースと、マグネットとコイ
ルとを有し前記スリーブに前記軸と相対的な回転力を作
用させるスリーブ回転駆動手段と、前記軸を前記スリー
ブに挿入したときに互いに対向する前記軸の外周面また
は前記スリーブの内周面の少なくとも一方に設けられ、
前記スリーブの相対的回転時に流体の動圧により前記ス
リーブを前記軸に対してラジアルおよびスラスト方向に
支持する力を発生させる動圧発生溝と、前記軸の固定さ
れていない自由端側の前記スリーブの開口端部に設けら
れ、前記スリーブと前記軸との間隙を閉塞するキャップ
と、前記キャップに前記軸の前記自由端面に対向して設
けられ、通気穴により前記自由端近傍の流体の圧力を調
整する通気板とを有し、第１に前記軸の内部に中空部を
設け、前記スリーブの相対的回転時に前記動圧発生溝に
より発生する流体の増圧部近傍および減圧部近傍から前
記中空部へと少なくとも一本以上の連通穴を設けた。

【００１６】上記構成によると、増圧部の流体が連通穴
および中空部を経由して減圧部へと通り、減圧部におけ
るラジアル方向の流体の圧力を高めるため、軸受のラジ
アル方向の剛性および負荷容量を大きくすることができ
る。

【００１７】また、比較的低い回転数においても、流体
のラジアル方向の圧力の総和が十分大きくできるため、
スリーブ等の回転が安定に保たれる。このため、通気板
と軸とが低回転数でのみ接触することに対する安定性を
高めることができる。これにより、スリーブ内空間での
摩耗粉の発生を抑えることができる。

【００１８】第２に、本発明の動圧軸受装置は、第１の
構成に加え、ポリアミドイミド樹脂または無電解ニッケ
ルメッキ処理を施した軟質金属からなり、前記軸の前記
自由端面と対向する面が凸型形状である通気板とした。
これにより、通気板の耐摩耗性を高め、軸との接触によ
る摩耗粉の発生を抑えることができる。

【００１９】第３に、第１および第２の構成に加え、前
記軟質金属の材料を真鍮またはアルミニウムとした。こ
れにより、通気板の加工が容易となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例に
ついて、図１および図２を用いて説明する。

【００２１】図１は本発明の一実施例である動圧気体軸
受装置の断面図を示し、図２は実施例の動圧気体軸受装
置のスリーブ内空間１２の流体がスリーブ１１の回転時
に有するラジアル方向の圧力分布図を示す。

【００２２】図１に示すように軸９が軸方向の一端部で
ベース８に固定され、その外周面をスリーブ１１の内周
面に対向させるように挿入される。スリーブ１１は軸９
のまわりを回転する。軸９の外周面には動圧発生溝１０
がある。軸９とスリーブ１１との間隙は軸９の自由端側
（図１上）をキャップ３により閉塞されている。またス
リーブ１１の外周部にはベース８側（図１下）向きに開
放されたリング状の凹部１１ａが形成されていて、この
凹部１１ａ内にはマグネット６が取り付けられている。
ベース８にはマグネット６に対向するようにリング状の
コイル７が取り付けられている。このリング状のコイル
７とマグネット６とがスリーブ１１に電磁力による回転
力を作用させる。

【００２３】コイル７に電流が流れると、マグネット６
とコイル７との間に電磁力が発生し、スリーブ１１が回
転する。この回転により、動圧発生溝１０のポンピング
作用でスリーブ内空間１２に増圧部１２ａ(図２)が発生
する。この圧力の総和がスリーブ１１を軸９のラジアル
方向に支持する。

【００２４】軸９の内部には縦穴である中空部４が設け
られ、増圧部１２ａ近傍および減圧部１２ｂ近傍から中
空部４へと少なくとも一本以上の連通穴５ａ、５ｂが設
けられている。柱１３は軸９に設けた中空部４の開放端
を閉塞する。スリーブ１１が回転すると、スリーブ内空
間１２の増圧部１２ａ近傍の流体が連通穴５ａにより軸
９内部の中空部４に導かれ、更に連結穴５ｂにより減圧
部１２ｂ近傍に導かれ、その周辺の圧力を高める。この
結果、図２に示すように、従来例の圧力分布（図４）に
あった減圧部１２ｂ近傍の凹部が消滅し、その分スリー
ブ１１をラジアル方向に支持する圧力の総和が大きくな
る。よって、軸受のラジアル方向の剛性および負荷容量
を大きくすることができる。

【００２５】また、動圧発生溝１０の形状は、従来例
（図３）同様にポンピング作用の効果にスラスト方向に
沿った向きによって差が生じるようにしてある。これに
より軸９の自由端面９ａ近傍においてスラスト方向の流
体の圧力成分が高くなり、キャップ３に力を加えスリー
ブ１１を支持する。キャップ３には、軸９と同心となる
ように固定された円盤状の通気板１ａがある。この中心
付近に設けた通気穴２で流体の圧力を調整し、スリーブ
１１と軸９とのスラスト方向の間隙を調節する。これに
より、スリーブ１１は軸９との間隙を高精度に保ちつつ
回転する。

【００２６】回転起動直後および停止直前では、スリー
ブ１１は軸９と通気板１ａで接触する。従って、通気板
１ａの材料を耐摩耗性の高いものにすれば、スリーブ内
空間１２中の摩耗粉の発生を効果的に抑えることができ
る。

【００２７】その材料としては、例えばポリアミドイミ
ド系樹脂または無電解ニッケルメッキ処理を施した軟質
金属を用いてもよい。

【００２８】更にその軟質金属としては、真鍮またはア
ルミニウムを用いてもよい。特にこれらは加工がしやす
いという利点もある。

【００２９】尚、通気板１ａは、軸９の自由端面９ａに
対向する面を従来例の通気板１ｂのように平面形状とし
ても、凸型形状としてもよい。但し、凸型形状だと平面
形状の際のように自由端面９ａとの平行度を高くする必
要はない。

【００３０】また、キャップ３はスリーブ１１と一体と
して設けられてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の動圧軸受
装置は、軸の内部に中空部と、動圧発生溝の増圧部近傍
および減圧部近傍から中空部へと連通する少なくとも一
本以上の連通穴とを設け、減圧部近傍の圧力を高めてい
る。これにより軸受のラジアル方向の剛性および負荷容
量が高まり、スリーブ１１の回転の安定性と信頼性とを
向上させることができる。

【００３２】また、スリーブ１１の回転が低回転数にお
いても安定なため、軸９と通気板１ａとのみが接触する
という信頼性を高くすることができる。従って、通気板
１ａの材料を耐摩耗性の高いものとすることにより、ス
リーブ内空間１２中の摩耗粉の発生を効果的に抑制でき
る。このため、軸９と通気板１ａとの接触により発生す
る摩耗粉が通気穴２，動圧発生溝１０，連通穴５ａ、５
ｂ等に詰まることによる回転の安定性および信頼性の低
下の可能性を、実質上極めて低くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の動圧軸受装置の断面図

【図２】実施例のスリーブ内空間１２に発生するラジア
ル方向の圧力分布図

【図３】従来の動圧軸受装置の断面図

【図４】従来例のスリーブ内空間１２に発生するラジア
ル方向の圧力分布図

【符号の説明】

１ａ 通気板（凸型形状） １ｂ 通気板（平面形状） ２ 通気穴 ３ キャップ ４ 中空部 ５ａ 連通穴（増圧部） ５ｂ 連通穴（減圧部） ６ マグネット ７ コイル ８ ベース ９ 軸 １０ 動圧発生溝 １１ スリーブ １１ａ スリーブ外周部の凹部 １２ スリーブ内空間 １２ａ 増圧部 １２ｂ 減圧部 １２ｃ スラスト方向上向き流を発生する領域 １２ｄ スラスト方向下向き流を発生する領域 １３ 柱 Ａ スリーブ１１の回転の向き

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J011 AA04 AA07 AA11 BA05 BA10 CA03 CA05 DA01 JA02 KA02 KA03 KA04 MA02 MA12 MA26 MA27 QA03 SB04 SB15 SB20 SC03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内周面に対向する側面を有する物の周り
   を相対的に回転可能なスリーブと、 外周面が前記スリーブの内周面と対向するように挿入さ
   れ、前記スリーブを相対的に回転可能とする軸と、 前記軸の軸方向の一端部を固定するベースと、 マグネットとコイルとを有し前記スリーブに前記軸と相
   対的な回転力を作用させるスリーブ回転駆動手段と、 前記軸を前記スリーブに挿入した時に互いに対向する前
   記軸の外周面又は前記スリ−ブの内周面の少なくとも一
   方に設けられ、前記スリーブの相対的回転時に流体の動
   圧により前記スリーブを前記軸に対してラジアル及びス
   ラスト方向に支持する力を発生させる動圧発生溝と、 前記軸の固定されていない自由端側の前記スリーブの開
   口端部に設けられ、前記スリーブと前記軸との間隙を閉
   塞するキャップと、 前記キャップに前記軸の前記自由端面に対向して設けら
   れ、通気穴により前記自由端近傍の流体の圧力を調整す
   る通気板と、 を有する動圧軸受装置であって、 前記軸の内部に設けられた中空部と、 前記スリーブの相対的回転時に前記動圧発生溝により発
   生する流体の増圧部近傍及び減圧部近傍から前記中空部
   へと連通して設けられた少なくとも一本以上の連通穴と
   を有することを特徴とする動圧軸受装置。
2. 【請求項２】 ポリアミドイミド系樹脂又は無電解ニッ
   ケルメッキ処理を施した軟質金属からなる、前記軸の自
   由端面と対向する面が凸型形状である前記通気板を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の動圧軸受装置。
3. 【請求項３】 前記軟質金属の材料が真鍮又はアルミニ
   ウムであることを特徴とする請求項２記載の動圧軸受装
   置。