JP4462470B2

JP4462470B2 - スラスト動圧軸受装置

Info

Publication number: JP4462470B2
Application number: JP2000353912A
Authority: JP
Inventors: 正和上杉; 庄太郎溝渕; 淳長野
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002155929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の回転によって生じた潤滑流体の動圧を利用して該回転軸の軸方向に作用する荷重を負荷するスラスト動圧軸受装置に係り、詳細には、上記回転軸の回転方向や回転速度が変化した場合であっても十分な負荷能力を発揮させるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転軸の軸方向に作用する荷重（以下、「軸力」という）を負荷して該回転軸の軸方向の移動を規制するスラスト動圧軸受としては種々のものが提案されているが、特に回転軸の正方向及び逆方向の双方の回転を負荷し得るものとしては、特開平７−２７９９５９号公報等に開示されたものが知られている。具体的には、回転軸と共に回転する回転円板と、この回転円板と対向するように非回転に設けられた固定板と、これら回転円板と固定板との間に所定の軸受隙間を保って介装されたスラスト円板とから構成され、かかる軸受隙間には水やオイル等の潤滑流体が封入されている。回転軸が高速回転すると、かかる回転軸と共に回転する回転円板と非回転に設けられた固定板との間に相対的な回転差が生じ、上記回転軸の回転方向に応じて回転円板とスラスト円板との軸受隙間、あるいは固定板とスラスト円板との軸受隙間に潤滑流体の動圧が発生する。これによって、回転軸に作用する軸力に抗して該回転軸を固定側の部材と非接触に保つことができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、動圧軸受では固定側部材と回転側部材との相対的な回転差によって軸受隙間に存在する潤滑流体が加圧され、これによって該軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されることから、回転側部材との固定側部材の回転速度差が大きいほど高圧の流体潤滑膜を形成することが可能となるが、逆に回転速度差が小さい場合には十分に高圧の流体潤滑膜を形成することが不能となる。従って、上記スラスト動圧軸受でも、回転軸の回転速度が遅い場合には、回転円板、スラスト円板及び固定板の三者間の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜を形成することができず、負荷できる軸力の大きさは小さいものとならざるを得ない。
【０００４】
このため、従来より、低速回転の回転軸についてはスラスト動圧軸受を適用することができず、ボールやローラ等の転動体を用いたスラスト転がり軸受を使用しなければならなかった。しかし、低速回転の回転軸に対して大きな軸力が作用する場合、これを負荷するスラスト転がり軸受は負荷能力向上のために大径化しなければならず、回転軸の軸受部が軸径に対して極端に大型化してしまうといった問題点があった。例えば、ボールねじを用いた合成樹脂の押し出し成形機では、かかるボールねじのねじ軸に対して１００ｔもの大きな荷重が作用する場合があるが、これをスラスト転がり軸受で支承すると該軸受の直径は３６ｃｍにもなり、いきおい成形機そのものが大型化せざるを得ない。また、ねじ軸の回転速度は正逆両方向について１０００ｒｐｍ程度であるから、スラスト動圧軸受を使用しても十分に高圧の流体潤滑膜を形成することはできず、ねじ軸の軸力を負荷することは不可能である。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、回転軸が低速で正方向及び逆方向の双方向へ回転する場合であっても、かかる回転軸に作用する軸力を十分に負荷することが可能であり、しかも軸受部の小型化を図ることが可能なスラスト動圧軸受装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、回転軸に作用する軸方向の荷重を負荷して、かかる回転軸の軸方向への移動を規制するスラスト動圧軸受装置であって、上記回転軸に固定された回転円板と、この回転円板と対向するようにして非回転に設けられた固定板と、これら回転円板と固定板との間に所定の軸受隙間を保って介装されると共に、回転円板及び固定板との間で動圧軸受を構成するスラスト円板と、上記回転円板に対して回転差が生じるように上記スラスト円板を回転駆動する手段とから構成されることを特徴とするものである。
【０００７】
このような技術的手段によれば、回転円板と固定板との間に介装されたスラスト円板を回転駆動手段によって任意の速度で回転駆動することにより、かかるスラスト円板と固定板との間に相対的な回転速度差が生じ、また、スラスト円板と回転円板との間にも相対的な回転速度差が生じ、これら三者間の軸受隙間に介在する潤滑流体を加圧して流体潤滑膜を形成することが可能となる。このとき、上記スラスト円板に対しては回転軸の回転とは全く別個に高速の回転を与えることができるので、スラスト円板と固定板の軸受隙間、スラスト円板と回転円板の軸受隙間に対して高圧の流体潤滑膜を形成することができ、上記回転軸に対して大きな軸力が作用する場合であっても、これを十分に負荷することが可能となる。また、相対的な回転速度差が大きければ、上記回転円板、固定板及びスラスト円板の直径は小さくても大きな負荷能力を発揮することができるので、回転軸の軸方向への移動を規制するスラスト軸受部を小型化することも可能となる。
【０００８】
このような本発明のスラスト動圧軸受装置においては、スラスト円板の回転数を高めれば高めるほど、大きな軸力を負荷することが可能となるが、そのためには上記回転駆動手段によってスラスト円板を高速で回転させ続けなければならず、例えばモータ等の消費電力が嵩んでしまうといった懸念がある。一方、使用用途にもよるが、上記回転軸に作用する軸力は常に一定ではなく、変動しているものと考えられる。従って、かかる観点からすれば、回転軸に作用している軸方向荷重を検出する手段を設け、上記回転駆動手段が検出された軸力の大きさに応じてスラスト円板の回転数を制御するのが好ましい。このように構成すれば、無駄にスラスト円板の回転数を高める必要がなく、回転駆動手段によって消費されるエネルギを節約することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のスラスト動圧軸受装置を詳細に説明する。
図１は本発明を適用したスラスト動圧軸受装置の第１実施例を示すものである。この装置は、例えば、電動押し出し成形機におけるボールねじのねじ軸の軸端に設けられ、かかるねじ軸に作用する矢線Ａ方向の軸力を負荷するように構成されている。同図において、符号１は回転軸であるところのねじ軸であり、その軸端は一対の深溝玉軸受１０を介してサポートユニット１１に嵌合している。かかるサポートユニット１１は固定部であるところのベッドＢに立設されている。これにより、上記回転軸１はラジアル方向に関してその回転を支承されている。そして、この回転軸１の軸端には回転円板２が固定されており、回転軸１と共に回転するように構成されている。
【００１０】
一方、上記ベッドＢには回転円板２と対抗するようにして固定板３が立設されている。この固定板３は円筒状のスリーブ４と相まって上記回転円板２及び後述するスラスト円板５の収容室６を形成している。すなわち、かかるスリーブ４の一方の開口部は固定板３で塞がれると共に、他方の開口部はドーナツ状の側板７によって塞がれており、これによって上記収容室６が形成されている。上記回転軸１の端部はドーナッツ状の側板７の中央開口を介して収容室６内に挿入されており、収容室６内に設けられた回転円板２と結合している。収容室６内における回転円板２と固定板３との間にはスラスト円板５が介装されており、スラスト円板５と回転円板２、スラスト円板５と固定板３との間には所定の軸受隙間が設けられ、これら三者が互いに協働して一対のスラスト動圧軸受を構成している。このスラスト円板５は固定板３を貫通する入力軸８によって支えられており、モータ（回転駆動手段）９によって入力軸８を所定の回転数で回転させると、その回転がスラスト円板５に伝達されるようになっている。かかる入力軸８の回転は固定板３及び回転円板２に勘合する玉軸受１２によって支承されている。一方、スラスト円板５の内径は入力軸８の外径に対して隙間を持って嵌合しており、例えば、スラスト円板５の内周面及び入力軸８の外周面の双方に没するボール等の継ぎ手１３により、スラスト円板５が遊びを持った状態で入力軸８と回転方向に結合されている。
【００１１】
また、上記収容室６を構成するスリーブ４にはスラスト円板５の外周面と対向する位置に潤滑流体を収容室６内に送り込む供給口１３ａが開設されており、かかる供給口１３ａから水やオイル等の潤滑流体が収容室６内に送り込まれ、回転円板２、スラスト円板５及び収容室６の相互間の隙間に潤滑流体が満たされている。そして、スラスト円板５の表裏両面には、図２に示すように、スパイラル状の動圧発生用溝１４，１５が形成されており、スラスト円板５及び回転円板２との間に相対的な回転速度差が生じると、両板２，５間の軸受隙間に介在する潤滑流体が動圧発生用溝１４の作用によって加圧され、かかる軸受隙間に流体潤滑膜が形成されるようになっている。また、スラスト円板５と固定板３との軸受隙間についても同様であり、スラスト円板５と固定板３との間に相対的な回転速度差が生じると、両板３，５間の軸受隙間に流体潤滑膜が形成されるようになっている。尚、図２において、動圧発生用溝１４を示す実線は回転円板２側のものであり、破線は固定板３側の動圧発生用溝１５を示すものである。
【００１２】
スラスト円板５は入力軸８によって図２中の矢線Ｂ方向へ回転させられる。これにより、各スラスト動圧軸受の軸受隙間に存在する潤滑流体は動圧発生用溝１４，１５によって加圧され、図１に示すようにスラスト円板５の半径方向の外側から内側に向けて流動する。一方、固定板３には潤滑流体を外部に排出するための排出路１６が設けられており、スラスト円板５の内径近傍において高圧となった潤滑流体は玉軸受１２を通過した後、上記排出路１６を経て収容室６の外部へ排出される。このとき、回転円板２とスラスト円板５の軸受隙間で高圧となった潤滑流体は、スラスト円板５の内径近傍に軸方向に沿って開設された連絡路１７を介して流動し、やはり玉軸受１２を介して排出路１６へと流動する。そして、排出路１６を経て収容室６から排出された潤滑流体は、図示外のフィルタによって塵芥等の異物を取り除かれた後、再度、供給口１３から収容室６内へ供給される。
【００１３】
そして、このように構成された本実施例のスラスト動圧軸受装置では、回転軸１の回転速度が極端に遅く、かかる回転軸１の回転のみをもっては回転円板２とスラスト円板５との軸受隙間に十分な動圧を発生し得ない場合であっても、上記モータ９によってスラスト円板５を高速回転させることで、回転円板２とスラスト円板５との間、固定板３とスラスト円板５との間に十分に高圧の流体潤滑膜を形成することができ、スラスト円板５と回転円板２とを非接触状態に保ったまま、回転軸１に対して作用する矢線Ａ方向の軸力を十分に負荷することが可能となる。回転軸１の回転方向がスラスト円板５の回転方向と同一であっても、かかるスラスト円板５を回転軸１よりも十分に高速で回転させることにより、スラスト円板５と回転円板２との間には十分な動圧を発生させることができ、この状態から回転軸１が逆転した場合には更に高圧の流体潤滑膜を形成することが可能となる。従って、この装置によれば、回転軸１が低速で正逆両方向へ回転するような場合であっても、回転軸１に作用する大きな軸力を十分に負荷することができるものである。例えば、本発明を適用した前記実施例の装置によれば、粘度３０ｃｐの油を潤滑流体として用いると共に、スラスト円板の直径を１３０ｍｍ、その回転数を５０００ｍｉｎ^-1に設定することにより、１００ｔの軸力を負荷することが可能となる。
【００１４】
また、この第１実施例の装置では、スラスト円板５を入力軸８に対して直接嵌合させているのではなく、継ぎ手１３を用いることにより若干の遊びをもたせて嵌合させているので、入力軸８の回転に伴ってスラスト円板５が回転を開始すると、かかるスラスト円板５は表裏の軸受隙間で発生する動圧によって、回転円板２と固定板３との間で自動的に位置決めされる。このため、入力軸８の固定板３に対する組み付け精度が悪い場合であっても、回転を始めたスラスト円板５は自ずと適切な位置に位置決めされ、各スラスト動圧軸受の軸受隙間を略均一な大きさに保持することができるものである。その結果、軸受隙間に形成される流体潤滑膜の圧力にはむらがなくなり、より効果的に回転軸１の軸力を負荷することができるものである。
【００１５】
一方、この装置ではスラスト円板５の回転数が高い程、軸受隙間により高圧の流体潤滑膜を形成することができ、より大きな軸力を負荷することが可能となる。その反面、常時スラスト円板５を高速で回転させたのでは、モータ９の消費電力が増加することから、運転コストが嵩むことになってしまう。このため、回転軸１に作用する軸力を実際に検出し、かかる検出値に基づいてモータ９の回転を制御するのが好ましい。回転軸１の軸力をスラスト動圧軸受で負荷している状態では、かかるスラスト動圧軸受の軸受隙間に介在する潤滑流体に対して上記軸力に対応した大きさの圧力が作用することから、かかる軸受隙間の圧力を検出すれば回転軸１に作用している軸力を把握することができる。このため、本実施例の装置では固定板３に圧力検出孔１８を開設し、この孔１８に対してマノメータ等の圧力測定器１９を接続することで軸受隙間における潤滑流体の圧力、ひいては回転軸１に作用している軸力を検出している。
【００１６】
図３に示すように、上記圧力測定器１９で検出された軸力はモータ制御部２０に入力される。このモータ制御部２０には、回転軸１に作用する軸力とそれを負荷するために必要なスラスト円板５の回転数との関係が予めテーブルとして格納されており、検出された軸力から上記テーブルを参照することにより、最適なスラスト円板５の回転数、すなわちモータ９の回転数を導き出せるように構成されている。そして、モータ９はモータ制御部２０によって導き出された回転数に制御され、スラスト円板５も同一の回転数で回転する。これにより、回転軸１に作用している軸力に見合った圧力の流体潤滑膜が各スラスト軸受の軸受隙間に形成されることになり、無駄にスラスト円板５の回転数を高めることなく上記軸力を十分に負荷し、更に運転コストの低減化を図ることが可能となる。
【００１７】
次に、図４は本発明を適用したスラスト動圧軸受装置の第２実施例を示すものである。
符号３０は回転軸を示すものである。前述の第１実施例では回転軸１の軸端にスラスト動圧軸受装置を配置していたが、この第２実施例では回転軸３０がスラスト動圧軸受装置を貫通している。すなわち、回転軸３０は回転円板３１、スラスト円板３２及び固定板３３を貫通しており、回転円板３１のみが回転軸３０に固定されている。また、回転軸３０は深溝玉軸受等の図示外のラジアル軸受によってその回転を支承されている。
【００１８】
スラスト円板３２は回転軸３０に対して回転自在なプーリとして設けられており、その外周面には図示外のモータからスラスト円板３２に対して回転駆動力を伝達するタイミングベルト（図示せず）が架け回されるようになっている。また、スラスト円板３２は回転円板３１と固定板３３との間に所定の軸受隙間を保って介装されており、第１実施例と同様、これら三者間で一対のスラスト動圧軸受が構成されている。スラスト円板３２の内径は回転軸３０の外径に対して隙間をもって嵌合しており、かかるスラスト円板３２の回転は深溝玉軸受３４によって支承されている。この深溝玉軸受３４としては内部隙間を有しているものが選択されている。尚、スラスト円板３２の表裏両面には図２に示したものと同じ動圧発生用溝１４，１５が形成されている。
【００１９】
上記固定板３３は第１実施例と同様にベッドＢに立設されている。この固定板３３には、スラスト円板３２との間の軸受隙間に潤滑流体を供給するための供給流路３５が該スラスト円板３２の外径近傍に設けられている他、かかる軸受隙間から潤滑流体を排出するための排出流路３６が該スラスト円板３２の内径近傍に設けられている。これにより、スラスト円板３２が回転すると、固定板３３側の軸受隙間に存在する潤滑流体がスラスト円板３２の外径側から内径側へ向けて加圧され、潤滑流体が上記供給流路３５から軸受隙間に流入してくることになる。また、スラスト円板３２の内径側へ向けて加圧された潤滑流体は軸受隙間から排出流路３６へ流入し、軸受外部へ排出される。
【００２０】
一方、スラスト円板３２には供給流路３５と対向する位置に供給連絡路３７が貫通形成されており、やはりスラスト円板３２が回転を開始すると、かかるスラスト円板３２と回転円板３１の軸受隙間に存在する潤滑流体が内径側に向かって加圧され、潤滑流体が上記供給連絡路３７から軸受隙間に流入してくることになる。また、スラスト円板３２の内径側の近傍には排出連絡路３８が貫通形成されており、スラスト円板３２の内径側へ向けて加圧された潤滑流体は軸受隙間から深溝玉軸受３４を介して排出連絡路３８へ流入し、更に排出流路３６へ流れ込んで軸受外部へ排出されるようになっている。
【００２１】
そして、このように構成された本実施例のスラスト動圧軸受装置でも、スラスト円板３２を高速回転させることで、回転円板３１とスラスト円板３２との間、固定板３３とスラスト円板３２との間に十分に高圧の流体潤滑膜を形成することができ、回転軸３０がいずれの方向へ回転する場合であっても、スラスト円板３２と回転円板３１とを非接触状態に保ったまま、回転軸３０に対して作用する矢線Ｃ方向の軸力を十分に負荷することが可能となる。
【００２２】
また、この第２実施例の装置においても、スラスト円板３２を回転軸３０に対して隙間をもって支承しているので、かかるスラスト円板３２は深溝玉軸受３４によってはその姿勢を拘束されることがなく、表裏の軸受隙間で発生する動圧によって回転円板３１と固定板３３との間で自動的に位置決めされる。このため、回転を始めたスラスト円板３２は自ずと適切な位置に位置決めされ、各スラスト動圧軸受の軸受隙間を略均一な大きさに保持することができ、より効果的に回転軸３０の軸力を負荷することができるものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のスラスト動圧軸受装置によれば、スラスト円板に対しては回転軸の回転とは全く別個に高速の回転を与えることができるので、スラスト円板と固定板の軸受隙間、スラスト円板と回転円板の軸受隙間に対して高圧の流体潤滑膜を形成することができ、また、回転円板、固定板及びスラスト円板の直径は小さくても大きな負荷能力を発揮することができ、回転軸が低速で正方向及び逆方向の双方向へ回転する場合であっても、かかる回転軸に作用する軸力を十分に負荷することが可能であり、しかも軸受部の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したスラスト動圧軸受装置の第１実施例を示す断面図である。
【図２】第１実施例に係るスラスト円板を示す正面図である。
【図３】第１実施例に係るモータの回転速度の制御系を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用したスラスト動圧軸受装置の第２実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…回転軸、２…回転円板、３…固定板、５…スラスト円板、８…入力軸、９モータ（回転駆動手段）

Claims

回転軸に作用する軸方向の荷重を負荷して、かかる回転軸の軸方向への移動を規制するスラスト動圧軸受装置であって、
上記回転軸に固定された回転円板と、この回転円板と対向するようにして非回転に設けられた固定板と、これら回転円板と固定板との間に所定の軸受隙間を保って介装されると共に、回転円板及び固定板との間で動圧軸受を構成するスラスト円板と、上記回転円板及び固定板に対して回転差が生じるように上記スラスト円板を回転軸の回転とは別個に回転駆動する手段とから構成されることを特徴とするスラスト動圧軸受装置。
上記回転軸に作用する軸方向荷重を検出する手段を有し、上記回転駆動手段は検出された軸方向荷重の大きさに応じてスラスト円板の回転数を制御することを特徴とする請求項１記載のスラスト動圧軸受装置。
上記回転軸の軸方向荷重を検出する手段は、上記軸受隙間における潤滑流体の圧力を検出する手段であることを特徴とする請求項２記載のスラスト動圧軸受装置。
上記固定板を貫通すると共に上記スラスト円板に対して回転駆動手段から回転駆動力を伝達する入力軸を設け、上記スラスト円板の内径がこの入力軸の外径に対して隙間を持って嵌合していることを特徴とする請求項１又は２記載のスラスト動圧軸受装置。
上記入力軸がスラスト円板及び固定板を貫通するように設けられると共に、上記スラスト円板の内径が入力軸の外径に対して隙間を持って回転自在に嵌合していることを特徴とする請求項４記載のスラスト動圧軸受装置。