JPH02501844A - 低速励起ガス分子ベアリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 低速励起ガス分子ベアリング 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、ゼロに近い調和速度で合せ面を分離するための、低摩擦、非圧縮性励 起ガス分子ベアリングに関するものである。

２、従来技術 大きな相対表面速度のもとて膜に潤滑性を与えるため、１つの面に形成された溝 を使って、これらの溝の間に形成されたランド上に潤滑液が導かれることを可能 にするベアリングは周知である。しかし、問題は、摩損の前に表面を分離または 「離昇」させることであり、さもないと、他の損傷が発生する。この形式の溝型 流体力学ベアリングにおける初期の研究は、流体力学ベアリングの分野で幾つか の初期の米国特許を保持するＥ、　Ａ、ミュイダーマン（Ｍｕｉｊｄｅｒｍａｎ ）によりなされた。例えば、１９６７年６月２７日にミュイダーマンに発行され た米国特許第３３２８０９４号は、合せ面の少なくとも１つに浅い溝を備えた軸 方向スラスト・ベアリングを示している。潤滑剤（具体的には、ガスでない）が 設けられ、２つの部分の間で回転が生じるとき、溝によりベアリングの外側から 内側に押される。これらの部分が回転すると共に、励起された膜がベアリングの 部材の間に作り出される。

同様にミュイダーマンに発行された米国特許第３１５４３５３号は合せ部分に溝 を有するが、主として、各段階での軸回転で曲線状に形成された空洞を有するこ とに関するものである。

溝は潤滑剤のための「ポンプ」の役目をするように形成されているので、回転時 に潤滑剤は合せ面の間に強制的に供給される。

他の形式の自動送給式流体力学ベアリングが、フスト（Ｆｕｓｔ）等に対して１ ９８６年３月４日に発行された米国特許第４５７３８１０号に示されている。こ の特許においては、ゆるやかなテーバを付けられた導入面が、潤滑剤蓄積溝とし ての役目を担っている溝の両側に設けられている。このベアリングは、装置を通 過するベルトに潤滑をもたらすことに特に適している。しかし、螺旋溝を使用し た流体力学ベアリングの真の動作の教示が欠けており、非常におそい動作で個々 の部分の間に離昇をもたらす能力は教示されていない。

螺旋溝ベアリングに関する包括的な技術的研究は、Ｅ、　Ａ。

ミュイダーマンによる「螺旋溝ベアリング（Ｓｐｉｒａｌ　ＧｒｏｏｖｅＢｅａ ｒｉｎｇ）Ｊと題された本、フィリップス・テクニカル・ライブラリ（１９６６ ）（議会図書館カード・カタログ番号６６−１９０２０）に記載されている。流 体力学ベアリングの特性を予測するための方程式が与えられている。

発明の要約 本発明は、ベアリング部分間の任意の相対運動とほぼ同時に離昇をもたらすガス −ベアリングに関し、特に、コンピュータ記憶ディスク駆動機構に使用される高 精度ベアリングを提供するのに適している。半径方向の心振れをなくし、合せ部 品間の摩耗を防ぐため、そのような用途にとっては非常に厳密な許容差が必要で ある。離昇後は、流体力学ベアリング等の別のベアリング装置が動作速度で部品 を支持する。

空気（ガス）ベアリングを使って正確な動作を得るための方法は、駆動機構の１ 回転未満、好ましくは、１０　ｒ、ｐ、ｍ、未満で離昇および空気膜による潤滑 を行なうことである。このことは、ベアリング面間のガス系にエネルギーを加え ることにより行なわれるので、空気分子は活動状態になり、運動面をベースから 持ち上げる。このことは、低摩擦起動をもたらすことにより空気ベアリングの性 能を高めるので、起動のため必要とされる電力の大きな低減が可能になる。

空気の分子は支持されている表面に付着し、このガス分子膜は、ガス圧縮による 部分間の相対運動のため付加されたエネルギーにより一層活動状態にされる。空 気等のガス分子の分子平均自由行路（Ｍ、　Ｍ、Ｆ、Ｐ、　）は室温（周囲温度 ）で２．５マイクロインチ等の一定値である。部品は静止時にそれらの表面に垂 直な幾何学的ボイド内に捕捉された幾つかの空気分子と接触している。運動時に はほぼ即時にこれらの分子はそれらの界面全体に渡って分散され、一層大きなＭ 。

Ｍ、Ｆ、　Ｐ、とじて即時に効果を現わす一層高い温度に摩擦励起される。また 、非圧縮分子層は、最初のＭ、　Ｍ、Ｆ、Ｐ。

の５乃至２０倍だけ大きくなる界面の分離を引き起こし、したがって、非常に低 い表面速度で非接触離昇をもたらす。

構造的には、このことは各表面上の２Ｍ、　Ｍ、Ｆ、Ｐ、、すなわち、約５マイ クロインチ以内で、断面における輪郭に対して正確な位置にある同一平面上の合 せ面を設けることにより実現され、平均偏差は４分子平均自由行路（１０マイク ロインチ）よりも大きくない。選択された深さおよび断面の大きさを有する一連 の溝およびランドは、２−１０Ｍ、Ｍ。

Ｆ、Ｐ、レベルにおけるベアリング表面間の界面内へ空気分子を進入させて、追 加分子を提供できるようにする溝の側の丸いまたはテーバの付いたランドの前縁 （表面が互いに相対運動するとき溝内の空気が動かされる方の縁）を有している ので、非常に低いレベルの相対運動で支持する。

隣接する表面間に導入される空気分子にエネルギーが印加され、これにより、早 い表面分離が生じる。何故ならば、分子は一層活発な活動状態になり、離昇をも たらすからである。分離が層大すると、もっと多くの空気分子が運動表面によっ て形成された空間内に引き込まれる。これは、速度が増大して、正規の流体力学 ベアリング効果が可能になるまで続く。

希薄化効果が同時に引き起こされる。分子は合せ面の間の空間から出ることはで きないので、分子は実質的に非圧縮性になり、界面との間の分子の希薄化効果は 、ランドにおける人口域ギャップに入るため、追加の空気分子の置換を強制する 。これは表面を持ち上げ、はぼ即時に離昇作用を引き起こす。空気分子補給が、 表面を離しておくため許容されるが、速度が増大して表面間の間隔が増大すると 、補給は許容されず、そのような高速で表面を支持するため流体力学ベアリング 等の何か他の装置が設けられねばならない。その時点で、離昇ガス支持装置は有 効であり、流体力学ベアリング等のその他のベアリング効果が２１２インチの直 径のディスク上で２０−３０　ｒ、ｐ、ａ＋、の範囲で有効になる。このことは 、インチ７秒等、表面速度に関連させることができる。例えば、リニアモータま たは回転モータでは、０．５インチ／秒は離昇を引き起こすのに十分なエネルギ ーを加える。

ディスク駆動機構は３６００　ｒ、ｐ、１．における動作で標準化され、したが って、特定のアプリケーションは、一定速度に至るとき、膜厚が負荷を支持する のに十分であることを要求する。慨して、離昇は約８マイクロインチであると考 えられ、一方、６ボンドの負荷を支持するので、２７０マイクロインチの範囲の ３６００　ｒ、ｐ、ｍ、における膜厚が望ましい。支持される負荷の量、および 必要とされる膜の高さは、使用される溝の深さに大きな影響を及ぼす。しかし、 ８マイクロインチの離昇高は４つの分子平均自由行路幅にほぼ等しい。

特に螺旋溝に関連して幾つかの変数が遭遇される。それらの変数には、前述した 溝の深さ、溝間のランドの幅に関連した溝の幅、溝の角度ならびに溝の内端の半 径、支持部材の中心を貫く任意の開口の半径、および溝の外径がある。実質的と って最も有用な溝の深さを選び、溝をランドとほぼ同じ幅にすることが必要であ る。しかし、好ましくは、ランドは溝よりもわずかに狭いが、等しい幅で十分で ある。合せ面に垂直な表面がほぼ２−１０分子平均自由行路幅のギャップを残し て終端し、少なくとも１００Ｍ、　Ｍ、　Ｆ、Ｐ、のテーバ長で平坦なランド表 面内にテーバ状に入るように、ランドの前縁または入力端が形成された場合に、 望ましい離昇が得られることが分った。また、前述のように、合せ面の平面度（ 輪郭および平均偏差に対する真皮）は重要である。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明に従って製造された流体力学ベアリングを備えた通常のディス ク駆動機構の側面図、第２図は第１図のベアリングの平坦な中央面上に設けられ た溝の概略平面図、 第３図は、本発明の特徴を示すと共に、２つの部分の間の′　相対運動に際しほ ぼ瞬間的な離昇をもたらす２つの合せ面の断面の概略図、 第４図は本発明の変形の部分的概略断面図、第５図は第４図の支持部分の平坦な 中央面の部分的概略図、第６図は第５図の可動ボールの平面図（第５図で見上げ た状態の）、 第７図は、本発明で使用される通常の平坦な支持面の平面図、 第８図は、本発明の装置を用いた一連のテストの平均の表面間隔の対数目盛対表 面速度と、従来技術のミュイダーマンの研究で展開された方程式を使って流体力 学ベアリングのための計算データの第２の曲線の合成グラフであり、ガス励起　 、分子ベアリングおよび流体力学ベアリングに対するベアリング剛性の曲線をも 含む。

好ましい実施例の詳細な説明 通常のディスク駆動軸を１０で概略的にかつ、支持ベアリング１２に接して載置 されたフランジ１１を有する形で示す。

支持ベアリング１２は、溝が１５で概略的に示されている上部表面１３を有する 。

本発明は、空気分子の層は表面に付着し、さらに、合せ面を有する２つの可動部 分が起動するとき、この分子層にエネルギーが印加されて一層大きな分子活動度 をもたらし、分子層はベアリング支持面１３に対してフランジまたは可動部１１ をほぼ即時に離昇させるという事実を利用するように特に設計されている。説明 のため第２図に概略的に示すように、幾つかの放射状の溝１５が、表面１３を、 回転部に対向する平坦な表面を有するランド１６に分割している。

各ランド１６は前縁コーナ１７を有し、該前縁コーナ１７は、矢印１９により示 すように、フランジ１１の回転方向に見たとき、溝の前縁を画定する垂直表面１ ８に沿ったある距離からテーバを付けられるか、または丸められ、該前縁コーナ １７の長さく矢で示された寸法）は、潤滑剤として使用されるガスの分子平均自 由行路１０個分にほぼ等しい。例えば、空気は油滑剤として使用することができ 、カリ室温で２．５マイクロインチのＭ、　Ｍ、Ｆ、Ｐ、を有【７ている。この 時、このギャップ幅は、１７Ａで示す導入テーバのちょうど後端で分子構造が直 ちにほぼ非圧縮性になることを保証する。寸法２０で示す、曲げられた、または テーバを付けられた縁部の長さは少なくともガスの１００Ｍ、　Ｍ、Ｆ、Ｐ、で あり、かつランド幅の１０％を超えないことが望ましい。

第３図は説明的なものであり、表面１３の中心近くで取られている。このテーバ は１つの区域をもたらし、この区域では、点２１により示される空気の境界層は 、幅がほぼ４乃至８分子平均自由行路の非圧縮性分子構造に減少させられ、この 構造は、動き始めたときランド１６のベアリング表面１３上にフランジ１１を支 持し、８マイクロインチの範囲でほとんど即時的な離昇を可能にする。運動の近 似的速度は毎秒０．５インチになる。

第４図、第５図および第６図に、本発明の変形を示す。

前述のように、表面速度がまだ低い間は離昇表面は効果的であるが、流体力学的 効果またはポンプ効果は一層高い速度での支持のために使用されることができる 。この作用を可能にするベアリングのタイプは、使用される駆動軸とは反対側の 切頭表面または平坦な表面を備えた部分的に球形のベアリングであり、これは、 もちろん、駆動軸の中心軸上に位置されている。第４図では、３０で概略的に示 すベアリング・ベースまたはベアリング支持体が部分的に球形の凹形内部レセプ タクル３１を備えている。この種の装置は通常、ガス流体力学ベアリングに使用 することは不可能である。何故ならば、部分的に球形のレセプタクル面３１と、 これと係合する部分的に球形のボール３２の間には線接触する境界があるからで ある。本図に示すように、ボール３２には、駆動軸またはその他の適当な用途の ために使用される軸３３が固定されている。

ボール３２は、３５で示す対数螺旋溝を形成された外部表面域３４を示すため、 部分的に破断されており、溝の間にランド３６が残されている。表面３１は滑ら かな面であり、ランド３６はこの表面と係合する。クリアランスはもちろん分り 易いように拡大されているが、装置が回転していないときは面接触している。ボ ールは平頭であるので、部分的に球形であるだけであり、３８で示す平坦な底面 を有し、この底面は同じく平坦なベアリング面３９と係合し、低い相対表面速度 で部分的に球形の表面３１に対するボール３２の離昇を可能にする。面３８およ び３９はいかなる相対速度においても、依然として分離されているランドの面３ １および３６と接触させられないので、静止状態では、部分的な球面の接触はな い。

第５図で理解できるように、面３９は幾つかの離隔した溝４０を形成され、溝４ ０は、第３図と関連して概略的に示し、説明したように、４１で示す、テーバを 付けられた前縁を有する。矢印４２により示される方向のボール３２の回転が生 じたときは、面３８と３９（面３９はランド表面である）の間の界面に分子を付 加すると同じ作用が発生する。中央凹部４３を便宜上、すなわち、空気溜めとし て設けることができ、溝４１は角度を付けられているので、離昇が発生し始めた とき補給空気をもたらす外部周辺溝４４から内部方向に空気を供給する傾向があ る。

本発明の該変形例では、次の点を除いて、前記と同じ種類の作用が発生する。つ まり、第５図の矢印４２および第６図の矢印４５により示す方向に回転し、軸の 回転速度が一定の速度まで上げられると、ボール３２上の溝およびランド３５お よび３６は流体力学ベアリングを提供する、すなわち、ランド面３６およびベア リング・シートの内面３１の間に流状空気クッションを作るべく空気を送り込む 点を除いて、前記と同じ種類の作用が発生する。

したがって、発明の該変形例に示される合成ベアリングは、回転軸３３およびボ ール３２が特定の速度に達するまで、面３１およびランド面３６の早期の分離を 保証するため平坦面の踏外を可能とし、上記特定速度で流体力学的効果が取って 代り、いかなる悪影響も伴なわずに、例えば、ディスク駆動のため３６００　ｒ 、ｐ、ｍ、の高速でボールが回転することを可能にする。部分的に球形の面の間 の流体力学ベアリングは軸を中心に保ち、軸の軸方向負荷ならびに軸上の横方向 または半径方向負荷を支持する。

再び、分子活動および分子平均自由行路支持間隔の増大による踏外効果をもたら すための何らかの相対運動が生じるや否や、面３８と３９の間の初期分子膜が相 対運動により活動状態に置かれる場合に、同じ踏外作用が発生する。４１で示す テーパ状縁部は、面３１に関連して作用するボール３２上の対数溝３５による流 体力学効果が流体力学ベアリング支持を実現する点まで速度が増大するときまで 、運動面がさらに空気分子を引き込むことを可能にする。

第７図は、４８で示す対数螺旋溝を使い、かつ溝の間にランド４９をもつ面１３ と同様なテスト・ベアリング支持面の図を示す。この種の対数螺旋溝は、分子活 動踏外現象で使って必要な踏外をもたらし、さらに、一層高い回転数において、 そのような面上の部材１１を支持する流体力学ベアリングをもたらすことが判明 した。第７図に示すこの種の表面は、考察するように、第８図に示すテスト目的 のため回転ディスクの両面で使用される。

溝は、第７図のＲＢで示す溝端半径、凹部を形成するための内径である半径Ｒ１ 、支持部材の側面のための外径である外径Ｒ２を有する。螺旋溝はリード角ＡＮ を有し、一般に、最適値ではなく、比較的低い踏外回転数をもたらすと共に依然 として適切な負荷支持能力を供給する、選択された中間値での深さを有するよう に形成される。４０マイクロインチの範囲の溝の深さでは、６ポンドの負荷は４ ｒ、ｐ、ｍ、　（約０．４インチ／秒の平均速度）で踏外し、もっと深い溝の深 さでは、踏外回転数はもっと高くなることが判明した。溝の深さは、所望される 狭い負荷範囲と組み合わされねばならない変数であり、８マイクロインチの合せ 面の間の踏外高をめる場合は、４０マイクロインチ以下の溝の深さが望ましいで あろう。

しかし、動作時に２７０マイクロインチの面の間の支持高を得るためには、約９ ０マイクロインチの中間値深さが与えられ、これは適当であると考えられる。ラ ンド４９は溝の間に形成され、ランド４９の幅は溝の幅にほぼ等しい。

もう１つの構成は溝の深さを交互にする、すなわち、溝を１つおきに４０マイク ロインチの範囲内になるように浅くすることであり、溝が１つおきに３６００　 ｒ、ｐ、ｍ、における支持高で深い場合は、設計速度は動作可能範囲にあり、適 切な負荷支持能力が得られるであろう。

本発明を受け入れるためには、合せ面は平坦でなければならない。すなわち、該 合せ面は室温ガスの２−１０Ｍ、Ｍ。

Ｆ、Ｐ幅（５−２５マイクロインチ）以内で、輪郭に対して正しく位置していな ければならない。平面度においては、少なくとも１分子自由行路の平均偏差がな ければならず、一般に８マイクロインチの踏外高よりもわずかに多いと考えられ る５分子平均自由行路より大きくない平均偏差がなければならない。相対運動に よりエネルギーが加えられるや否や、踏外が生じ、従来技術で開示された流体力 学ベアリングと組み合わされた本発明の合成早期表面踏外ベアリングから成るベ アリングにより支持された、正規化された１ボンドの重量で３平方インチ面（２ ，５インチ直径）から踏外するとき、第８図の曲線５５により例示される通りの 測定結果が得られた（剛性または負荷容量については、第８図の他の曲線の説明 と関連して考察する）。

使用された支持面は、第７図に関連して説明した溝で構成され、第１図の１１で 示すようなフランジを支持する。完全な踏外は８マイクロインチで生じるものと 定義され、毎秒０．５インチ（６ｒ、ｐ、ｍ、）の平均速度が達成される時間ま で、表面間の分離は実質的に踏外高よりも高く、回転数が増大するに従って増大 し続けた。約１．５−２．５インチ／秒（２０−３Ｏｒ、ｐ、ｍ、）の表面速度 よりも上では、従来技術の流体力学装置に従ってポンプ作用が生じ始め、この結 果表面を流体力学ベアリング上に保持するための空気クッションが提供される。

一方、ランドおよび溝（ただし、ランド上にテーパ付きの前縁を有さない）の場 合と同じ寸法、およびベアリング表面上での等しい力を用いると、ミュイダーマ ンの式（実際のテストではない）を用いた計算は、第８図の曲線６０で示すもの になる。これによれば、２０マイクロインチの面間隔を得るためには、運動面を ３５　ｒ、ｐ、ｍ、　（３インチ／秒）の範囲で回転させ、８０マイクロインチ の分離が行なわれる前に、回転数が８０−９　Ｏｒ、ｐ、ａ＋、　（６，５イン チ／秒）の範囲で上昇しなければならないことを示している。したがって、表面 を、本発明で教示されるように、適切に構成させ、５分子平均自由行路より小さ く、１分子平均自由経路よりも大きい間隔を有する表面間で分子が制限されると きにエネルギーを加えることにより生じる分子活動に依存することにより、はる かにすぐれた初期踏外特性が実現される。これにより、励起された分子は表面間 に捕捉され、相対運動によりエネルギーが加えられるや否や必要な踏外をもたら す。第８図に曲線５５得るため作用させられるベアリングの流体力学的効果は１ ２０マイクロインチ間隔よりも上では曲線６０にほぼ従うので、曲線５５は曲線 ６０と合体される。本発明の合成ベアリングは実際には、早期踏外を実現するた めの変更のため、高い回転数では計算された流体力学ベアリングよりもわずかに 性能が劣る。

本発明のランド上のテーバ付き前縁は、分子が余分に運び入れられることを可能 とし、分子が加熱して膨張したとき、早期踏外特性を維持するためこれらの分子 の捕捉を可能とするので、正規の流体力学ベアリング作用が発生するときまで、 踏外特性を提供し続ける。

流体力学ベアリングの剛性は表面速度と共に増大するが、本発明の低速励起ガス 分子ベアリングの剛性は、速度が大きくなるに従い、さらに、高度または間隔が 増大するに従い減少する。２種類のベアリングの剛性曲線も第８図に示す。曲線 または直線６３は表面速度に対する早期踏外ガス励起ベアリングの剛性特性を示 す。剛性は、表面速度および増大した間隔の２乗関数として減少する。剛性に関 する第８図の縦方向の対数目盛は１インチ当り数千ポンドである。直線または曲 線６５は流体力学ベアリングの剛性対表面速度を示す。剛性は小さな表面速度で は低く、ベアリングのポンプ作用が増大するに従い、表面速度の３次関数として 増大する。

剛性曲線６３および６５は点６７で交差する。したがって、早期表面踏外ベアリ ングは低い速度での負荷支持をもたらし、高い回転数では、流体力学ベアリング が取って代って負荷支持をもたらす。

曲線６３は、表面間の高さまたは間隔の増加の関数としての剛性の直接的減少を 示す。両表面の間隔は、負荷と間隔の間で均衡が取られ、表面が特定の高さまた は間隔に達したとき、流体力学ベアリング等の別のベアリング装置がもつと高速 の動作について引き継がねばならない。したがって、本装置は低いクリアランス における即座の踏外に対しては非常に剛いベアリングを提供し、大きなりリアラ ンスでは流体力学ベアリングが取って代る。

したがって、曲線５５により示される早期踏外は、ミニイダーマンの式のポンプ 作用よりもむしろ本発明のガス分子の励起によることが理解できる。

好ましい実施例に関連して本発明について説明したが、当業者は、発明の精神お よび範囲から逸脱することなく形式および細部で変更を行なうことができること を認めるであろ国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．一方の表面が他方の表面に比例した速度をときどき有するようになった、ガ ス環境で動作する２つの対向した、相対運動可能な相補的に形成された表面の間 のガス励起分子ベアリングにおいて、相補的に形成された表面の少なくとも一方 に形成された複数の溝およびランドの組から成り、上記組は、相補的に形成され た表面の間の相対運動の方向を少なくとも部分的に横切り、上記ランドは、他方 の表面に対向するランド表面を有し、上記対向表面は、静止状態のガス環境を形 成するガスの１乃至５分子平均自由行路の間に表面の間隔があるように、各々が その所望の断面輪郭に対して十分に正確な位置にあるランド表面を含み、上記ラ ンドの各々のランド表面は上記表面の相対運動の方向に対する前縁部を有し、上 記前縁部はテーパを付けられ、ガス環境の１０分子平均自由行路の範囲における 相補的に形成された表面からの間隔から開始し、相補的に形成された表面に向か ってテーパを付けられ、選択された距離だけ相対運動の方向に延在することを特 徴とするガス励起ベアリング。
2. ２．一方の表面が他方の表面に比例した速度をときどき有するようになった、２ つの対向した、相対運動可能な相補的に形成された表面の間のガスにより形成さ れたガス励起分子ベアリングにおいて、相補的に形成された表面の少なくとも一 方に形成された複数の溝およびランドの組から成り、上記組の溝およびランドは 、相補的に形成された表面の間の相対的速度方向を少なくとも部分的に横切り、 上記組の各ランドは、相補的に形成された他方の表面に対向するランド表面と、 相補的に形成された表面の間の相対的速度方向に関連して見たときの前縁部を有 し、各前縁部は、室温におけるガスの１０分子平均自由行路の範囲で、相補的に 形成された対向表面から離隔した開始位置からテーパを付けられ、各ランド前縁 部のテーパは少なくとも１００分子平均自由行路の長さを相対運動の方向に有し 、ランドは、前縁部の長さよりも実質的に大きな表面長さを有することを特徴と するガス励起分子ベアリング。
3. ３．上記相補的に形成された表面の各々が、室温におけるガスの５分子平均自由 行路の範囲内で、その所望の断面輪郭に対して位置する請求の範囲第２項の装置 。
4. ４．上記相補的に形成された表面の平均偏差が室温におけるガスの５分子平均自 由行路よりも小さい請求の範囲第３項の装置。
5. ５．上記各前縁部のテーパの長さが相対運動の方向におけるそれぞれのランド表 面の長さの１０％以下である請求の範囲第２項の装置。