JP5002236B2 - シャフトモータ - Google Patents

Description

本発明は、直線ガイドやボールネジを使わない流体軸受付きのシャフトモータに関する。

シャフトモータは一般に、軸方向にＮＳの磁性化された円管状で同形状の磁石を複数個、各Ｎ極と、各Ｓ極の同極同士を突き合わせた状態で非磁性体の通しボルトで結合してなるシャフトと、このシャフトの外径よりも少し大きい内径を有する円筒形状に巻き上げられた電磁コイルを３組１セットとしてＶＵＷ相が内蔵された非磁性体のフレームを備えている（特許文献１参照）。

シャフトモータは、回転駆動を経ることなく一様な速度の直線駆動を得ることができ、コギリングが全くなく無励磁において無負荷になる。また直動使用においては、ダイレクト駆動であるために伝達機構のロスも極めて少なく、高速で軽く動作することができる。更に、シャフトに向けて噴射可能な向きに複数のノズル口を有する流体軸受をフレームの両端に設けてなる流体軸受付きシャフトモータの直動機構を提供することも考えられる。

しかしながら、先に出願した流体軸受付きシャフトモータの構成では、シャフトを浮上するためにはかなりの流量の圧力流体の供給が必要となり、流体軸受に太いホースを接続する必要がある。このことは、一般のシャフトモータに使われる直線ガイドから成る直動機構に比べ、システム設計上の大きな制約となり、改善が必要である。
特開２００４−３４０８号公報

本発明は、少ない流体流量で十分なシャフト浮上能力を有する流体軸受付きのシャフトモータを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを流体軸受によって軸方向移動可能に支持するように構成され、前記流体軸受に前記シャフト表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数の噴射ノズルを備えるとともに、前記複数の噴射ノズルの各々に対して送水量を調整する流量調整ユニットを備え、前記流体軸受の噴射ノズルおよび前記流量調整ユニットの出口ポートを送水ホースにより接続したシャフトモータであって、前記流量調整ユニットは、円筒状空間のチャンバー、前記チャンバーの正面中央部に設けられた入口ポートおよび前記チャンバーの側面に等ピッチでかつ前記噴射ノズルと同数個の出口ポートを設けたハウジングと、前記チャンバーの内部に移動可能に収納されかつ、前記出口ポートと同じピッチの円錐状突起を複数個有し、前記シャフトモータの姿勢に応じて自らの重力によって前記チャンバー内部を移動して前記円錐状突起と前記出口ポートとの間の流体通過断面積を増減させるコマとを備え、前記シャフト浮上に寄与する位置の噴射ノズルへの給水量を当該シャフト浮上に寄与しない位置の噴射ノズルへの給水量よりも多くなるように、前記送水ホースによって前記噴射ノズルと前記出口ポートとを接続したことを特徴とする。

請求項２の発明は、筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを軸方向移動可能に支持する流体軸受を備えたシャフトモータであって、前記流体軸受は前記シャフト表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数の噴射ノズルを備え、前記流体軸受への前記噴射ノズルの取付部に、噴射ノズルの姿勢に応じて重力によって弁開度が自動的に変わる流量調整弁を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、少ない流体流量で十分なシャフト浮上能力を有する流体軸受付きのシャフトモータを提供することができる。

以下、本発明の５つの実施の形態のシャフトモータについて図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは図１に示すように、円筒状のコイル１ａと、コイル１ａの中心軸上に設けられ軸方向に駆動されるシャフト１ｂと、コイル１ａの両端に設けられ、シャフト１ｂに向って噴射可能な方向に等ピッチで配置された各３個の噴射ノズル３を有する流体軸受２を備え、噴射ノズル３のノズル口３ｅの先端に浅いザグリ形状の圧力ポケット４を有する構成である。噴射ノズル３には送水ホース５が接続されている。

圧力ポケット４の形状は、基本的にノズル口３ｅの出口付近にポケット状の開口部があればよく、形状は何でもよい。例えば、図１（ｃ）のようなざぐり穴形状のほかに、図２（ａ）に示すような半扁平球形状、あるいは、図２（ｂ）に示すラッパ形状などがありうる。

本実施の形態のシャフトモータにおいて、噴射ノズル３で発生する力は、ノズル口３ｅの口径面積に噴射ノズル３内の水圧を掛けた値となり、これはシャフト１ｂの浮上力となる。図１（ａ）の構成において、シャフト１ｂが浮上を開始する前は、地側の噴射ノズル３は、シャフト１ｂに塞がれた状態となり、この状態でのノズル口径は、圧力ポケット４のざぐり口径の面積と見なすことができる。仮に圧力ポケット４のざぐり穴をノズル口径の４倍で加工したとすると、浮上前の浮上力は、浮上時に比べ１６倍の浮上力を得ることが可能となり、その分、低圧での浮上が可能である。なお、ノズル口３ｅからざぐり穴への移行部、およびざぐり穴の出口の角部はＲ面取りを行い、段差部での圧損を削減するのがよい。

本実施の形態によれば、噴射ノズル３に圧力ポケット４を設けることで、浮上開始時には、地側の噴射ノズル３において、浮上後の数倍の浮上力を発生することができ、低圧での浮上開始が実現できる。一旦、シャフト１ｂが浮上した後は、シャフト１ｂと流体軸受２の間には液膜層ができるので、シャフト１ｂが完全に浮くほどの浮上力が出ていなくとも、液膜層の効果によりすべり摩擦力は十分に低く、低負荷でのシャフト駆動が実現可能である。

したがって、圧力ポケット４がない流体軸受つきシャフトモータと比較して、圧力ポケット４つきの流体軸受つきシャフトモータは、送水圧を数分の１以下に下げることが可能となり、低圧・低流量となり、その分、送水ホース５も柔らかく細いホースの適用が可能である。

（第２の実施の形態）
図３に本発明の第２の実施の形態のシャフトモータの構成を示す。図には左側のみを示してある。右側も同様である。本実施の形態のシャフトモータは、コイル１ａの両端の流体軸受２にシャフト１ｂに向って噴射可能な方向にそれぞれ複数の噴射ノズル３を設け、流体軸受２の中央に位置するノズル口３ｅの両側の内面の円周に１つ以上の周溝６を設けた構成である。

このような構成においては、ノズル口３ｅから流れ出た水は、周溝６で渦流を発生し、その渦流は流体抵抗となる。したがって、流体軸受２の内部からの洩れを防ぎ、軸受内部の圧力を保持することが可能である。このことにより、周溝６なしの流体軸受つきシャフトモータよりも周溝６ありの流体軸受つきシャフトモータはより小流量、すなわち低圧の送水でのシャフト１ｂの浮上が可能である。

（第３の実施の形態）
図４に本発明の第３の実施の形態のシャフトモータの構成を示す。図４には左側のみ示してある。右側の構成も同様である。本実施の形態のシャフトモータは、コイル側１ａの両端の流体軸受２にシャフト１ｂに向って噴射可能な方向に等ピッチで配置された各３個の噴射ノズル３を設け、流体軸受２の外側の側面にボルト等で固定された中心孔つき円板状の押え金具７と、この押え金具７またはコイル１ａと流体軸受２との間にラジアル方向にある程度スライド可能に設けられた中心孔つき円板状のシールホルダーと、このシールホルダー９によって流体軸受２の内周側側面に保持され、シャフト１ｂの外径に合わせた内径を有する円環状のリップシール１０とを備えている。

このような構成においては、流体軸受２内部の水圧は、リップシール１０で保持される。また、シャフト１ｂが流体軸受２内で偏心してギャップが変形しても、リップシール１０はシールホルダー９がラジアル方向にスライドすることによりシャフト１ｂの動きに追従するので、リップシール１０の機能が損なわれることがない。

従来リップシール１０で軸受をシールする場合は、シャフト１ｂがラジアル方向に動かないようにローラ軸受などを設ける必要があったが、本実施の形態によれば、シャフト１ｂが流体軸受２とシャフト１ｂとの隙間の中で動いたとしても、リップシール１０を保持するシールホルダー９がラジアル方向にはスライド可能となっているので、正常なシール状態を維持することができる。このリップシール１０のシール効果により、流体軸受２内の圧力が保持されるので、リップシール１０なしの流体軸受つきシャフトモータよりもリップシール１０ありの流体軸受つきシャフトモータはより小流量、すなわち低圧の送水での浮上が可能である。

（第４の実施の形態）
図５に本発明の第４の実施の形態のシャフトモータの構成を示す。本実施の形態のシャフトモータは、コイル１ａの両端に設けられシャフト１ｂを支持する流体軸受２の３個の噴射ノズル３の各々に対し、シャフトモータの姿勢に応じて送水量をバランス良く調整する流量調整ユニット１１を備え、シャフト１ｂの下側に来た噴射ノズルに重点的に水を流すようにした構成である。

流量調整ユニット１１は、図６に示すように、重力により位置が変化するコマ１４を利用して３つの噴射ノズル３への送水量を調整する弁開度が自律的に変化するようにした弁機構であり、電動弁やサーボ弁などの電気・空圧アクチュエータを使わずに流量調整を行う。流量調整ユニット１１は、ハウジング１７内に設けた円筒状の空間を有するチャンバー１２に出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃと入口ポート１５を備えている。出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、チャンバー１２の側面に、等ピッチで、流体軸受の噴射ノズル３と同数備えられている。

入口ポート１５はチャンバー１２の正面の中央に設けられている。チャンバー１２の空洞部には空洞の内径よりもやや小さい外径を有する円柱状のコマ１４が入っている。コマ１４は、比較的重い材質の金属（鉛やステンレス）を素材とし、その表面はフッ素樹脂コーティングなどの表面処理を施して滑り抵抗を低く抑え、チャンバー１２内で自らの重量により簡単に低い方に滑るようになっている。コマ１４の側面には、出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃと同じピッチで円錐状の突起１６ａ，１６ｂ，１６ｃがあり、出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃと一対一の関係でチャンバー１２内に嵌まっている。

次に本実施の形態の作用を図７および図８を用いて説明する。図７のように、噴射ノズル３ａ，３ｂ，３ｃの位置と流量調整ユニット１１の出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃの位置が１８０度反対の関係となるようにコイル１ａの外殻に流量調整ユニット１１を固定し、各対応する噴射ノズル３ａ，３ｂ，３ｃと出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃを送水ホース５で接続する。図７、図８では、重力加速度は図の上から下に向っている（地面が下）と仮定する。

シャフトモータの姿勢が図７あるいは図８の状態に変わると、チャンバー１２内のコマ１４が自重により移動し、出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、これと勘合する円錐状の突起１６ａ，１６ｂ，１６ｃとの隙間がコマ１４の位置に応じて変化し、水の通過断面積が増減するので、流量抵抗が変わり、３つの出口ポート１３ａ，１３ｂ，１３ｃへの送水のバランスが変化する。例えば、図７では噴射ノズル３ａが真上にあるので、出口ポート１３ｂ，１３ｃがコマ１４により開き加減になり、流体軸受２への送水は主としてこれに対応する噴射ノズル３ｂ，３ｃへ流れる。また、図８では噴射ノズル３ａが真下にあるので、コマ１４は出口ポート１３ａが一番開いた状態になり、主として噴射ノズル３ａに水が流れる。

以上の作用により、流体軸受２の姿勢に応じて自然とシャフト１ｂの重力下側に位置する噴射ノズル３に多くの水が流れるようになり、シャフトの浮上に必要な噴射ノズルに送水が行き、浮上に寄与しない噴射ノズル３には水が供給されにくくなるので、送水の総量はその分削減される。

（第５の実施の形態）
本実施の形態のシャフトモータは、流体軸受２の３個の噴射ノズル３の各々の入口に流量調整弁を設けるものである。流量調整弁１８の構成は、図９に示すように、テーパー状の水路１９中にこれと勘合する形状を有するフロート弁２０を備え、フロート弁２０は、先端に逃がし穴２７を有し、てこ２１により、流路方向にスライド可能な構成となっている。てこ２１は、支持棒２２に取り付けられた支持ピン２３を支点にして回転自在となっており、流路方向と直交する方向に移動可能な回転ジョイント２５（これが力点）によってフロート弁２０と結合されている。てこ２１の作用点側の回転ジョイント２４は、回転ジョイント２５と同様に流路方向と直交する方向に移動可能な機構で錘２６に結合されている。錘２６はケーシング１８ａの中で流路方向に自在にスライド可能な構造をしており、スプリング２８と接している。

このような構成において、図９のように流量調整弁１８が下向き（出口側が下）にある時は、錘２６の自重による力がスプリング２８のスプリング力より勝っているために、その力はてこ２１のてこの原理により増大されて、フロート弁２０を押し下げ、水路１９を閉じた状態にする。この状態では流路１９は閉塞され、水圧でフロート弁２０は流路１９に密着するが、フロート弁２０に設けられている逃がし穴２７によって、完全閉塞の状態でも少々の流量は確保され、フロート弁２０が張り付き状態となることが防止される。

錘２６がスプリング２８を押す力は、錘２６の自重による力の流路方向のベクトル成分となり、重力に対する方向により増減するので、錘２６の自重とスプリング力とがバランスする位置は、流量調整弁１８の姿勢によって変わる。このことにより、フロート弁２０による弁開度も姿勢により自動的に増減し、図１０のように上下逆の姿勢では流路１９が開く。このようにして、流量調整弁１８は、姿勢により流量を自動的に調整することができる。

本実施の形態のシャフトモータにおいては、流量調整弁１８がそれぞれの噴射ノズル入口に取り付けられているため、シャフトモータの姿勢に応じてそれぞれの噴射ノズル入口の流量調整弁１８の開度が変化して噴射ノズルへの送水量を適正に調整することができる。流量調整弁１８の弁開度は、流量調整弁１８が上向き、すわなち、噴射ノズルが上向になるほど広くなるので、流量が増加する。逆に噴射ノズルが下向きになるほど弁開度は狭くなり、流量は低下する。こうして、常にシャフト浮上に寄与しない下向きの噴射ノズルへの送水の配分がカットされ、無駄な送水が不要となるので、結果として流量調整弁１８を使用ない場合に比較してより少ない送水量で同様のシャフト浮上効果を得ることができる。

なお、上記各実施の形態において噴射ノズル３，３ａ，３ｂ，３ｃによって流体軸受２に供給する流体は水の他に油でもよい。また複数の実施の形態の構成を併せ備えてもよい。

本発明の第１の実施の形態のシャフトモータを示し、（ａ）は流体軸受部のシャフトに直角な面による断面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線に沿う断面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ部拡大図。 本発明の第１の実施の形態のシャフトモータの流体軸受部の他の例（ａ）およびさらに他の例（ｂ）を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態のシャフトモータの流体軸受部を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態のシャフトモータの流体軸受部を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態のシャフトモータを示す斜視図。 本発明の第４の実施の形態のシャフトモータに備えられる流量調整ユニットを示し、（ａ）は図５のVI−VI線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図 本発明の第４の実施の形態のシャフトモータの動作を説明する図。 本発明の第４の実施の形態のシャフトモータの動作を説明する図。 本発明の第５の実施の形態のシャフトモータに備えられる流量調整弁を示す断面図。 本発明の第５の実施の形態のシャフトモータに備えられる流量調整弁の動作を説明する図。

符号の説明

１ａ…コイル、１ｂ…シャフト、２…流体軸受、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…噴射ノズル、３ｅ…ノズル口、４…圧力ポケット、５…送水ホース、６…周溝、７…押え金具、９…シールホルダー、１０…リップシール、１１…流量調整ユニット、１２…チャンバー、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…出口ポート、１５…入口ポート、１４…コマ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…突起、１７…ハウジング、１８…流量調整弁、１８ａ…ケーシング、１９…水路、２０…フロート弁、２１…てこ、２２…支持棒、２３…支持ピン、２４，２５…回転ジョイント、２６…錘、２７…逃がし穴、２８…スプリング。

Claims (2)

1. 筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを流体軸受によって軸方向移動可能に支持するように構成され、前記流体軸受に前記シャフト表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数の噴射ノズルを備えるとともに、前記複数の噴射ノズルの各々に対して送水量を調整する流量調整ユニットを備え、前記流体軸受の噴射ノズルおよび前記流量調整ユニットの出口ポートを送水ホースにより接続したシャフトモータであって、
   前記流量調整ユニットは、円筒状空間のチャンバー、前記チャンバーの正面中央部に設けられた入口ポートおよび前記チャンバーの側面に等ピッチでかつ前記噴射ノズルと同数個の出口ポートを設けたハウジングと、前記チャンバーの内部に移動可能に収納されかつ、前記出口ポートと同じピッチの円錐状突起を複数個有し、前記シャフトモータの姿勢に応じて自らの重力によって前記チャンバー内部を移動して前記円錐状突起と前記出口ポートとの間の流体通過断面積を増減させるコマとを備え、
   前記シャフト浮上に寄与する位置の噴射ノズルへの給水量を当該シャフト浮上に寄与しない位置の噴射ノズルへの給水量よりも多くなるように、前記送水ホースによって前記噴射ノズルと前記出口ポートとを接続したことを特徴とするシャフトモータ。
2. 筒状をなすコイルの中心軸上に設けられたシャフトを軸方向移動可能に支持する流体軸受を備えたシャフトモータであって、前記流体軸受は前記シャフト表面に対しラジアル方向に流体を噴射する複数の噴射ノズルを備え、前記流体軸受への前記噴射ノズルの取付部に、噴射ノズルの姿勢に応じて重力によって弁開度が自動的に変わる流量調整弁を備えていることを特徴とするシャフトモータ。

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