JP3491354B2 - 流体軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は軸受装置に関し、特に高
速回転に適する磁性潤滑流体を用いた流体軸受装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザプリンタや複写機等に
使用されているポリゴンミラーモータの軸のように、高
速で回転する軸を支持するための軸受には、一般に特開
平４−１５６１５号公報に見られるような玉軸受等のこ
ろがり軸受が用いられている。また、この他にも軸と軸
受間に潤滑油等の流体を満たして流体潤滑を行う流体軸
受も広く用いられている。図３はポリゴンミラーモータ
の回転部分を支持している軸受として玉軸受３が用いら
れている一例を示したものである。同図において、ポリ
ゴンミラーモータのハウジング１は固定用孔２によって
レーザプリンタや複写機等の機器本体内部にネジ止め等
によって取り付けられている。前記ハウジング１に対し
て軸５が上下に配置された玉軸受３によって回転自在に
設けられている。前記軸５の上端には、図示されないポ
リゴンミラーが取り付けられる。

【０００３】ポリゴンミラーは、光源から発せられる画
像情報を伝送するレーザ光等の光ビームを多角柱状の多
数の反射鏡面で反射し、その回転にともなって感光体ド
ラム等の表面を走査して、画像データの潜像を形成する
ために用いられている。前記軸５には、ブッシュ６が固
定されており、ブッシュ６の外周には磁性材料によって
形成されたマグネットヨーク７が取り付けられている。
また、マグネットヨーク７の下面には、多数のマグネッ
ト８が接着剤等の固定手段によって取り付けられてい
る。

【０００４】一方、ハウジング１は、磁性材料によって
形成されたヨーク４を支持しており、ヨーク４上には、
回路基板９が配置されている。回路基板９の表面には、
前記マグネット８に対向した複数のコイル１０が取り付
けられ、また、マグネットヨーク７の縁部下方にはホー
ル素子等で構成される位置検出素子１３が設けられてい
る。また、回路基板９上には、前記コイル１０へ電力を
給電するためのコネクタ１２とコイル１０への通電を制
御するための駆動制御素子１１が設けられている。

【０００５】上記の構成において、マグネットヨーク
７、マグネット８、及びヨーク４によって、閉じた磁気
回路が形成されており、コネクタ１２から供給される電
力によって複数のコイル１０に電流が通電されると、コ
イル１０を流れる電流と前記マグネット８とヨーク４と
の空隙を貫く磁束との間の電磁的な相互作用によって、
駆動トルクが発生し、軸５、ブッシュ６、マグネットヨ
ーク７、および、マグネット８からなる回転体が発生し
た駆動トルクによって回転駆動される。前記回転体の回
転位置は、前記位置検出素子１３によって検出され、こ
の検出信号によって前記駆動制御素子１１はマグネット
８とコイル１０との相対的な回転位置関係に応じて、複
数のコイル１０のうち回転駆動に必要なコイル１０のみ
への電流の供給を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した例において
は、軸は玉軸受によってハウジングに支持されている
が、一般にポリゴンミラーモータ等のような高速回転を
行う軸受部分に玉軸受等のころがり軸受を用いると、玉
軸受の玉の数などに起因して、軸の回転に対して、非同
期周波数の振動が生じ、また、騒音を引き起こす原因と
なる。前記振動や騒音は、高速回転時には特に著しくな
り、玉軸受の寿命にも影響を与えるため、玉軸受の摩耗
が経時的に進行し、振動や騒音が増大する傾向がある。
さらに、玉軸受を固定するハウジングの内径は、高い形
状精度を必要とし、上下に一対配置するために、上下の
軸受の組立精度も必要となる。そして、これらの組立精
度が適正に選択されていないと、騒音や振動が発生し、
また、軸受寿命を著しく低下させる原因となる。

【０００７】一方、図３に示した例のように軸受部に玉
軸受を使用せずに、流体軸受を使用して軸を支持するこ
ともできる。しかしながら、流体軸受を使用すると軸と
軸受との隙間に潤滑剤を常に保持しておく必要があり、
潤滑が適切に行われている場合は、騒音や振動が少なく
回転摩擦も小さい等の利点があるが、軸高速回転による
遠心力によって、軸と軸受間の潤滑剤が外部に飛散され
ると軸が潤滑剤によって流体的に保持されている流体潤
滑の状態を維持することができなくなりできなくなり、
軸受と軸とが焼き付けを起こす等の状態に陥り、早期の
軸受の損耗を招く欠点がある。

【０００８】

【発明の目的】そこで、本発明は、上記のような従来の
玉軸受や流体軸受のもつ諸問題を解消し、騒音や振動が
少なく、しかも寿命の長い軸受装置を提供することを主
な目的とする。

【０００９】 本発明は、流体軸受け装置に関するもの
で、請求項１の発明は、内部に閉じ込められる磁性潤滑
流体を介して軸端部を挿入し、軸を回転可能に支持する
有底の軸受部と、前記軸受部に対して軸の長さ方向に所
定の間隔を介して配置され、反対方向に着磁された永久
磁石と、からなり、前記磁性潤滑流体を介して軸受部に
挿入されて回転体を支持する軸は、下端部のスラスト軸
部と上部との、前記永久磁石に対応する部分が大径のも
のとして構成され、前記大径部の間に、小径部を設けて
なることを特徴とする。請求項２の発明は、前記軸受部
に配置する一対の永久磁石が、軸受部の半径方向に着磁
されており、磁石と軸の大径部との間での隙間の小さい
部分から、軸の小径部を通して磁束の密度を高くした状
態で、磁性潤滑流体を磁気的に保持する力（吸引能力）
を向上可能としていることを特徴とする。

【００１０】

【作用】軸に対応する対の軸受部相互に永久磁石によっ
て反対方向に着磁されて磁気回路を形成し、磁気吸引力
によって、それぞれの軸受部分に磁性潤滑流体が吸引さ
れて閉じこめられる。潤滑流体は前記磁気吸引力で常に
軸受部分に引きつけられているため、軸が高速で回転し
て潤滑流体が軸受部から飛散することが防止され、軸と
軸受部との間は流体潤滑状態に保持される。したがって
軸の回転の開始時は軸受部は潤滑流体を間に挟んで間接
的に軸を支持しており、軸の回転数が増加するととも
に、潤滑流体の運動によって動圧が発生し、軸受部に対
して非接触状態で軸の回転が維持される。この場合、対
の軸受部の着磁方向が相互に反対になっているため、閉
じた磁気回路のループが形成され、それぞれの軸受部の
間に磁束が密集し、外側には磁束が拡がらず潤滑流体
は、軸受部の間にのみ捕捉されて流体潤滑状態が維持さ
れている。また、軸受を永久磁石によって形成し、軸に
対応する軸受部に着磁している場合には、軸受自体が磁
気吸引力を備えて前記磁性潤滑流体を軸受部間に閉じこ
める作用を生じる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。図
１は、本発明の流体軸受装置が適用されたモータの構造
を示したものであって、レーザプリンタ等のポリゴンミ
ラーの回転駆動に用いられるものである。軸５の上端部
には図示されないポリゴンミラーが取り付けられ、軸受
１４によって回転自在に支持された軸５とともに回転さ
れるようになっている。軸５には、外周にマグネットヨ
ーク７が取り付けられたブッシュ６が固定されており、
マグネットヨーク７の下面には、複数のマグネット８が
接着剤等を用いた固着手段によって一体に固定されてい
る。すなわち、軸５、ブッシュ６、マグネットヨーク
７、および、マグネット８は、一体になって、回転体
（ロータ）を形成している。前記軸５はその下方が軸受
１４によって支持されている。また、前記軸５の前記軸
受１４内に挿入されている部分には、径を小さくした縮
径部５ｂが形成され、さらに、軸５のその下端には前記
軸受１４の底部と当接するスラスト軸部５ａが形成され
ている。軸５は、鉄系等の磁性材料で製作されることが
好ましい。

【００１２】一方、軸受１４は、底を有する円筒状に形
成されており、その上端部分が回路基板９に設けられた
孔に貫通した状態で回路基板９に取り付けられている。
軸受１４はその上下の外周面に永久磁石１５ａと永久磁
石１５ｂとが上下に設けられている。前記対の永久磁石
１５ａと永久磁石１５ｂとは、ともに軸受１４の半径方
向に沿って着磁されており、その着磁方向は相互に反対
方向になっている。

【００１３】すなわち、図１のように、永久磁石１５ａ
の外側がＮ極に着磁されていれば、永久磁石１５ｂの外
側ではＳ極に着磁されている状態となっている。この例
では、永久磁石１５ａと永久磁石１５ｂとは共に半径方
向に着磁されているためそれぞれの内側すなわち軸受１
４の外周面と接している側では、それぞれＳ極とＮ極と
に着磁されている。永久磁石１５ａと永久磁石１５ｂと
は、それぞれ軸受１４を取り囲むリング状に形成するこ
とができるほか、複数に分割して軸受１４の周囲に配置
してもよい。永久磁石１５ａが設けられている軸受１４
の内側及び、永久磁石１５ｂが設けられている軸受１４
の内側によって軸受部１４ａ及び軸受部１４ｂがそれぞ
れ形成されている。

【００１４】永久磁石１５ａと永久磁石１５ｂとは互い
に反対方向に着磁されているので、永久磁石１５ｂから
出た磁力線は軸受１４の軸受部１４ｂを通過して軸受１
４内に侵入し、上方の軸受部１４ａから永久磁石１５ａ
へ入る磁気回路が形成される。この場合、永久磁石１５
ａと永久磁石１５ｂの着磁方向を、それぞれ軸受１４の
半径方向とすることで、軸受１４の壁面を半径方向に貫
く磁束を最大にすることができる。

【００１５】一方、軸５と軸受１４との間の隙間には磁
性潤滑流体１６が満たされている。磁性潤滑流体１６は
磁力によって吸引される性質を有するもので、例えば磁
性粉と液体の潤滑剤とが混合されたものを用いることが
できる。軸受部１４ａと軸受部１４ｂの軸５との対向面
には、前記磁気回路の形成によって磁束が密集している
から軸受部１４ａと軸受部１４ｂには、磁性潤滑流体１
６が吸引されて保持される。この時、軸５が鉄系等の磁
性材料で形成されている場合には、永久磁石１５ｂから
出た磁力線は軸受部１４ｂを通過した後、磁性材料であ
る軸５に侵入し、軸受部１４ａを通過した後永久磁石１
５ａに入るため、軸受部隙間１７ａと軸受部隙間１７ｂ
とにおいて、磁束の密度をより高めることができ、磁性
潤滑流体１６の吸引能力を向上させることができる。ま
た、軸５の軸受部１４ａと軸受部１４ｂとに対応する部
分間に縮径部５ｂを形成することにより、軸受部１４ａ
と軸受部１４ｂとの部分に磁束をより集中することがで
きる。また、軸受１４は、永久磁石１５ａ及び永久磁石
１５ｂの磁束が軸５側へ透過しやすいように非磁性材料
で形成することが望ましい。

【００１６】上記構造の軸受１４が取り付けられている
回路基板９上には、前記マグネット８に対向して複数の
コイル１０が取り付けられ、また、マグネットヨーク７
の縁部の下方には軸５、ブッシュ６、マグネットヨーク
７、および、マグネット８によって構成される回転体の
回転を検出する、ホール素子等で構成される位置検出素
子１３が設けられている。また、回路基板９上には、前
記コイル１０へ電力を給電するためのコネクタ１２とコ
イル１０への通電を制御するための駆動制御素子１１が
設けられている。

【００１７】次に、上記のように構成されている、ポリ
ゴンミラーモータにコネクタ１２を介して電力が供給さ
れ、複数のコイル１０に電流が通電されると、コイル１
０を流れる電流と前記マグネット８とヨーク４との空隙
を貫く磁束との間の電磁的な相互作用によって駆動トル
クが発生し、前記回転体が回転駆動される。回転体の回
転位置は、前記位置検出素子１３によって検出され、こ
の検出信号によって前記駆動制御素子１１はマグネット
８とコイル１０との相対的な回転位置関係に応じて、複
数のコイル１０のうち回転駆動に必要なコイル１０のみ
への電流の供給を行う。

【００１８】このようにして回転駆動される回転体によ
って、軸５に加えられるラジアル荷重は、軸受部１４ａ
と軸受部１４ｂによって支持され、また、スラスト荷重
は軸５の下端に形成されたスラスト軸部５ａによって、
軸受１４の底部で支持されている。

【００１９】軸５と軸受１４との間には、磁性潤滑流体
１６が存在しているので、軸５と軸受１４との表面が直
接接触することはない。磁性潤滑流体１６は、永久磁石
１５ａと永久磁石１５ｂの磁極に対応した軸受部１４ａ
と軸受部１４ｂの部分に吸引されて軸受部隙間１７ａお
よび１７ｂとを塞ぐため、この間に存在する磁性潤滑流
体１６は閉じこめられた状態となっている。また、軸受
部１４ｂより下部の磁性潤滑流体１６は軸受１４の底部
に溜まっており、軸５のスラスト軸部５ａと軸受１４の
底部との間には常に磁性潤滑流体１６が存在し、直接接
触することはない。軸５が回転すると、軸受部１４ａお
よび軸受部１４ｂと軸５との間の磁性潤滑流体１６は軸
５の回転につれて運動を生じ動圧を発生する。この動圧
によって軸５は軸受１４の内壁面に接触することなく流
体潤滑状態を維持した状態で円滑な回転が行われる。

【００２０】軸５の回転によって磁性潤滑流体１６に生
じる遠心力は、磁性潤滑流体１６を軸受部隙間１７ａか
ら軸受１４の上方へ流出させるように作用するが、軸受
１４内の磁性潤滑流体１６は永久磁石１５ａと永久磁石
１５ｂによって生じている磁束によって閉じこめられ外
部への流出は阻止される。なお、以上説明した実施例で
は、軸受１４を鉄系等の磁性材料で製作すると永久磁石
１５ａおよび永久磁石１５ｂの磁束が軸受１４の内側に
透過しにくくなるため、軸受１４の素材としては非磁性
材料を用いることが望ましい。

【００２１】次に、図２に示したものは、本発明の別の
実施例であって、流体軸受装置の構造を除いた他の部分
については、前述の図１の実施例に記載したものと同一
の構成であるので、軸受装置の部分のみの構成について
説明する。図２の実施例では、軸受１８は永久磁石によ
って構成されており、上下に間隔をあけて２カ所が着磁
されており永久磁石軸受部１８ａと永久磁石軸受部１８
ｂとが形成されているものである。前記永久磁石軸受部
１８ａと永久磁石軸受部１８ｂとは互いに反対方向に着
磁されている。すなわち本実施例の場合は、軸受１８が
永久磁石軸受部１８ａと永久磁石軸受部１８ｂの部分の
み半径方向に着磁されており、上方の永久磁石軸受部１
８ａでは図２に示すように外側がＮ極であり永久磁石軸
受部１８ｂでは外側がＳ極に着磁されている。

【００２２】これに対応して永久磁石軸受部１８ａの部
分は内面がＳ極であり、一方永久磁石軸受部１８ｂの部
分は内面がＮ極に着磁されている。軸受１８の素材とし
ては、鉄系および非鉄系の金属材料、または、プラスチ
ック磁石を用いることができる。プラスチック磁石は、
プラスチック系素材に磁性体を粉末にして混入し、軸受
１８の形状に成形した後に着磁して永久磁石軸受部１８
ａと永久磁石軸受部１８ｂの部分のみを磁石とする。前
記プラスチック系素材としては、例えば、ポリカーボネ
ートを用いることができる。前述した各実施例において
は、ポリゴンミラーモータを例にして説明を行ったが、
本発明の流体軸受装置は、このような限られた用途に限
定されるものではなく、機械装置一般に用いられる軸受
装置として広く利用することができるものである。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の流体軸受
装置によれば、相互に反対方向に着磁された対の軸受部
間に形成される磁気回路によって、磁性潤滑流体を閉じ
こめる構造としたため、潤滑流体が軸の回転によって生
じる遠心力によって軸受部の隙間から外部へ流出したり
飛散したりすることを防止できる。その結果、良好な流
体潤滑状態を維持でき、高速回転においても軸受装置か
ら発生する騒音や振動を小さく抑えることができるとと
もに、長寿命な軸受装置を可能とすることができる。さ
らに、潤滑流体が外部に漏れ出さないので周囲を汚損す
ることがなく、軸受装置の保守も容易となる。また、軸
受を永久磁石によって構成した場合には、軸受周囲に磁
気回路を形成するための永久磁石を配置する必要が無く
なり、流体軸受装置の構造が簡略化することができる。
その結果、軸受装置を軽量化することができるととも
に、製造コストを下げることができる。その上、軸受を
構成する永久磁石にプラスチック磁石を用いた場合に
は、軸受を射出成形等の手段を用いて成形することがで
きるため、更なる製造コストの低減と軸受装置の軽量化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の流体軸受装置の一実施例を示す図で
ある。

【図２】 本発明の流体軸受装置の別の実施例を示す図
である。

【図３】 従来の軸受装置の構造の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

５ 軸、 ５ａ スラスト軸部、 ５ｂ 縮径
部、１４・１８ 軸受、 １４ａ・１４ｂ 軸受
部、１５ａ・１５ｂ 永久磁石、 １６ 磁性潤滑
流体、１７ａ・１７ｂ 軸受部隙間、 １８ａ・１８
ｂ 永久磁石軸受部。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に閉じ込められる磁性潤滑流体を介
   して軸端部を挿入し、軸を回転可能に支持する有底の軸
   受部と、 前記軸受部に対して軸の長さ方向に所定の間隔を介して
   配置され、反対方向に着磁された永久磁石と、からな
   り、 前記磁性潤滑流体を介して軸受部に挿入されて回転体を
   支持する軸は、下端部のスラスト軸部と上部との、前記
   永久磁石に対応する部分が大径のものとして構成され、 前記大径部の間に、小径部を設けてなることを特徴とす
   る流体軸受装置。
2. 【請求項２】 前記軸受部に配置する一対の永久磁石
   が、軸受部の半径方向に着磁されており、 磁石と軸の
   大径部との間での隙間の小さい部分から、軸の小径部を
   通して磁束の密度を高くした状態で、磁性潤滑流体を磁
   気的に保持する力を向上可能としていることを特徴とす
   る請求項１に記載の流体軸受装置。