JPH04119220A - 動圧軸受け - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体の動圧効果を利用して回転体の荷重を支
持する動圧軸受けに関する。

［従来の技術］ 一般に、動圧軸受けは回転体と、この回転体を回転可能
に支持する軸受は体とからなり、それらの各対向面の何
れか一方には動圧溝が形成されている。そして、回転体
か回転されると、前記動圧溝の作用に基づいて、回転体
と軸受は体との間に介在する作動流体に動圧が発生し、
この作動流体の圧力膜によって回転体が軸受は体に対し
非接触にて支持される。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に、動圧軸受けの採用にあたり、比較的小さな荷重
の回転体を支持して高速回転させる場合には、作動流体
と°して空気を使用した気体軸受けが好適であり、一方
、比較的大きな荷重を支持する場合や回転体を低速回転
させる場合には、作動流体として粘性の高い潤滑剤等を
使用した液体軸受けが好適である。それ故、動圧軸受け
においては、使用回転数等を考慮しつつ、回転体の荷重
を一定なものとみなし、その荷重を支えるのに最も適し
た軸受は寸法の設計及び作動流体の選択が行われる。

しかし、特に気体軸受けにおいては、回転体の荷重が変
動するような場合、軸受けにかかる荷重が軸受けの負荷
許容範囲を逸脱し、回転体を非接触で支持することがで
きなくなり、回転体と軸受は体が摩擦接触を起こすこと
があった。かかる状況は、気体軸受けの回転体が、十分
な動圧を発生するに必要な回転数未満で低速回転せざる
を得ない場合にも生じていた。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的
は、相対回転可能な一対の部材間に介在される作動流体
の特性を随時変更可能にすることにより、荷重変動や回
転数変化に対応して軸受けとしての性能を常に発揮する
ことが可能な動圧軸受けを提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記課題を解決
するために本発明は、相対回転可能な一対の部材の各対
向面の何れか一方に動圧溝が形成された動圧軸受けであ
って、 前記対向する部材の少なくとも一方が多孔質セラミック
ス焼結体によって形成され、かつ、その部材には磁性流
体が含浸されると共に、前記磁性流体が含浸される部材
内に磁場を形成して前記磁性流体の流動を制御する磁場
形成手段が設けられている。

この軸受は構成においては、通常、一対の部材の各対向
面には作動流体として気体が介在され、気体軸受けとし
て機能する。それ故、前記一対の部材が相対回転される
と、前記動圧溝の作用に基づいて、介在気体に動圧が発
生し、一方の部材が他方の部材に対し非接触にて支持さ
れる。

ここで、前記磁場形成手段によって、磁性流体が含浸さ
れる部材内に特定方向の磁場が形成されると、この多孔
質部材から磁性流体が滲出し、−対の対向面間には磁性
流体が介在される。これにより、この軸受けは液体軸受
けとして機能すると共に、作動流体が気体から液体に変
更されることによって作動流体の粘性が高くなる。これ
により、軸受けの負荷許容範囲が拡大されると共に、動
圧の発生に必要な最小回転数が低くなる。

また、前記磁場形成手段によって、前記特定方向と逆方
向の磁場が、対向する一対の部材間に形成される場合、
一対の対向面間に介在された磁性流体が前記多孔質部材
に浸透されて、この軸受けは再び気体軸受けとして機能
する。

前記磁場形成手段は磁性材料と電磁コイルとの組合せか
らなることが好ましい。

この構成によれば、電磁コイルへの通電方向に応じて、
磁場の向きが制御される。更に、磁性材料との組合せと
することにより、より大きな磁場が形成される。

前記多孔質セラミックス焼結体は気孔率が１０〜３５％
の炭化珪素焼結体であることが好ましい。

この気孔率が１０％未満では、十分な量の磁性流体を含
浸させることができず、一方、気孔率が３５％を超える
と、部材の機械的強度が低下し好ましくない。

前記磁性流体としては、例えば、窒化鉄、酸化鉄等の磁
性粒子（粒径５０−１５０人）をハイドロカーボン、ケ
ロシン、フッ素オイル、水等の分散媒体に分散したもの
があげられる。

［実施例１コ 以下に、本発明をスラスト軸受けに具体化した実施例に
ついて、図面を参照して説明する。

第１図に示すように、スラスト軸受け１の下端部には球
体支持部材２が設けられ、その上方には１３％クロム系
ステンレス鋼によって円板状に形成された下部対向部材
３が球体４を介して設けられている。この下部対向部材
４の周縁部下面には係合凹部（図示路）が設けられ、該
係合凹部に前記球体支持部材２の周縁部上面に突設され
たピン５の先端が係入することにより、下部対向部材４
の自由回転が規制されている。

スラスト軸受け１の上端部には軸支持部材６が配設され
、この軸支持部材６には回転軸７が回転可能に装着され
ている。この回転軸７の下端部には１３％クロム系ステ
ンレス鋼によって円板状に形成された上部対向部材８が
ボルト９によって固着されている。そして、この上部対
向部材８の下面が、前記下部対向部材３の上面に対して
平行に対向配置されている。

前記上下両対向部材３．８間には、気孔率が１５％の炭
化珪素多孔質体によって円板状に形成されたセラミック
ス板１０が介装されている。第１゜２図に示すように、
このセラミックス板１０の中心部には貫通孔１１が設け
られている。更に、セラミックス板１０には、前記貫通
孔１１の周囲において、その内周縁に連続したランド１
２が所定幅にわたって設けられている。また、セラミッ
クス板ｌＯの上下各面において、前記ランド１２の外周
縁からセラミックス板１０の外周縁にわたる領域にはス
パイラル状の動圧溝１３，１４（第２図では黒塗り部分
）が複数形成されている。

尚、前記セラミックス板１０の上面に形成された動圧溝
１３は、回転軸７と共に上部対向部材８が特定方向（正
方向）へ回転された場合、その動圧溝１３の作用に基づ
いて、セラミックス板ｌＯと上部対向部材８との間に介
在されている作動流体に動圧が発生するように、スパイ
ラルの向きが決定されている。一方、セラミックス板Ｉ
Ｏの下面に形成された動圧溝１４は、セラミックス板ｌ
Ｏが前記特定方向と反対方向（逆方向）へ回転された場
合に、その動圧溝１４の作用に基づいて、セラミックス
板ｌＯと下部対向部材３との間に介在されている作動流
体に動圧が発生するように、スパイラルの向きが決定さ
れている。

第１図に示すように、前記下部対向部材３の中心部には
留めピン１５が突設され、その先端がセラミックス板１
０の貫通孔ｌｌ内に係入されている。そして、この留め
ピン１５と貫通孔１１との係合によって、セラミックス
板１０はその半径方向への移動を規制されており、かつ
、常にこの留めピン１５を中心として回転される。

また、前記多孔質のセラミックス板１０には、窒化鉄微
粒子をハイドロカーボンに分散させてなる磁性流体りが
含浸されると共に、第１図に示すように、下部対向部材
３とセラミックス板ｌＯとの間のクリアランスには、作
動流体として前記磁性流体りが充填されている。尚、こ
のような磁性流体りは、外部磁場の影響を受けて磁化さ
れると共に、外部磁場の向きに応じて移動される。また
、磁性流体りは、磁化の増大に伴い粘度が増大するとい
う特性を有する。

更に、前記下部対向部材３の下面側には複数の電磁コイ
ル１６が装着されると共に、前記上部対向部材８の上面
側には前記各電磁コイル１６にそれぞれ対応する複数の
マグネット１７が嵌着されている。尚、各電磁コイル１
６及びマグネット１７により、磁場形成手段が構成され
る。

さて、上述のように構成されたスラスト軸受けにおいて
、回転軸７に下向きの負荷（スラスト荷重）がかけられ
ると、上部対向部材８とセラミックス板１０との間に空
気層を、また下部対向部材３とセラミックス板１０との
間に磁性流体りを介在した状態で、これら部材３，８．
１０が互いに吸着される。

ここで、回転軸７が正方向へ回転されると、上部対向部
材８とセラミックス板ｌＯとの間の空気はその粘性に基
づき、上部対向部材８の回転に伴って移動される。この
時、この空気はセラミックス板１０上面の動圧溝１３に
案内されて次第に板１０の中心部へ誘導されるため、板
１０の中心部において上部対向部材８′とセラミックス
板１０とを離間させようとする動圧を発生する。この動
圧によって、回転軸７のスラスト荷重が支えられ、回転
軸７及び上部対向部材８がセラミックス板ｌＯと非接触
状態で回転される。尚、この時、セラミックス板１０と
下部対向部材３との間には動圧が発生せず、セラミック
ス板ｌＯは下部対向部材３に吸着されでいる。

一方、回転軸７が逆方向へ回転されると、前述の場合と
異なり、上部対向部材８とセラミックス板１０との間に
は動圧が発生せず、セラミックス板１０は上部対向部材
８に吸着された状態で同方向へ回転される。すると、“
下部対向部材３とセラミックス板１０との間の磁性流体
りは、セラミックス板ＩＯ下面の動圧溝１４に案内され
て次第に板１０の中心部へ誘導されるため、板１０の中
心部において下部対向部材４とセラミックス板１０とを
離間させようとする動圧を発生する。この動圧によって
、回転軸７のスラスト荷重が支えられ、回転軸７、上部
対向部材８及びセラミックス板ＩＯが下部対向部材４と
非接触状態で回転される。

この時、下部対向部材３とセラミックス板１０とは離間
されるが、留めピン１５と貫通孔１１との係合により、
セラミックス板ｌＯは上下両対向部材３，８の回転軸線
に対して偏心することがない。

ところで、スラスト軸受けｌの使用対象によっては、回
転軸７にかかる荷重が変動することがあり、この荷重の
大きさが気体軸受けの負荷許容量を超える場合がある。

このような場合に、前記各電磁コイル１６への通電制御
を開始して、各マグネッ）１７との間に特定方向の磁界
を形成することにより、この磁場内に存在する磁性流体
りが例えば正の値に磁化される。更に、この磁界の影響
を受けて、セラミックス板１０と下部対向部材３との間
に存在する磁性流体りは、セラミックス板１０に浸透す
る方向へ移動すると共に、第３図に示すように、セラミ
ックス板ＩＯに含浸されていた磁性流体りがセラミック
ス板１０の上面側に滲出し、セラミックス板１０と上部
対向部材８との間には磁性流体りが満たされる。

こうして、セラミックス板ＩＯと上部対向部材８との間
に介在される作動流体を、空気からそれよりも粘性の高
い磁性流体りに変更して液体軸受けとすることにより、
気体軸受けの場合よりも大きな荷重が支持可能となり、
正方向へ回転する回転軸７が磁性流体りの動圧によって
支持される。

尚、かかる操作は、回転軸７の回転数が通常よりも低く
なり、空気層によっては回転軸７の荷重を支持するに十
分な動圧を発生することができなくなった場合にも有効
である。

一方、前記各電磁コイル１６への通電方向を逆転させて
、各電磁コイル１６と各マグネット１７との間に形成さ
れる磁界の向きを前記特定方向と反対方向にすると、磁
性流体りは一旦消磁された後、負の値に磁化される。そ
して、前記同様、この磁界の影響を受けて、セラミック
ス板ＩＯと上部対向部材８との間に満たされた磁性流体
りは、セラミックス板１０に浸透する方向へ移動すると
共に、セラミックス板１０に含浸される磁性流体りがセ
ラミックス板１０と下部対向部材３との間に滲出し、軸
受けは再び策１図の状態に復帰される。

尚、磁性流体りは、各電磁コイル１６によって形成され
る磁界の大きさに応・じて磁化の大きさが異なると共に
、磁性流体りの磁化が大きい程、その粘度が増大する。

それ故、磁場の大きさを調節することにより、液体軸受
けの負荷許容量を一定範囲で任意に調節することも可能
である。

このように本実施例によれば、セラミックス板ｌＯを多
孔質炭化珪素焼結体によって形成し、かつ、それには磁
性流体りを含浸させると共に、電磁コイル１６とマグネ
ット１７とによって上下両対向部材３，８間に磁界を形
成可能としたことにより、必要に応じてセラミックス板
１０と上部対向部材８との間に磁性流体りを滲出させて
、軸受けの作動流体を変更することができる。これによ
り、該作動流体の特性（特に粘性）に応じた軸受は性能
を設定することができ、回転軸７にかけられる荷重の変
動や、回転軸７の回転数変化にかかわらず、スラスト軸
受けとしての性能を常時発揮することができる。

また、この軸受けに寄れば、上部対向部材８とセラミッ
クス板１０とがリンキングを生じているような場合に、
両部材８，１０のクリアランスにセラミックス板ＩＯか
ら磁性流体りを滲出させることにより、両部材８，１０
を離間させて、リンキングを効果的に解消することがで
きる。

更に、回転軸７が正逆いずれの方向へ回転する場合でも
、そのスラスト荷重を動圧にて支えることができる。そ
れ故、本スラスト軸受けを例えばモータ等に応用した場
合に、結線ミスのために誤って回転軸７が本来の回転方
向と異なる方向へ回転される事態が生じても、スラスト
荷重を動圧にて支えることができるため、軸受けを構成
する部材が過大な負荷を受けた状態で摩擦接触し、焼き
付いて破損するということがない。

尚、本実施例を次のように変更して実施することができ
る。即゛ち、 （ａ）マグネット１７を省略し、電磁コイルＩ６のみに
よって磁場形成手段を構成すること。

（ｂ）通常は、上部対向部材８とセラミックス板１０と
の間のクリアランスに磁性流体りを介在させ、磁場の形
成によって下部対向部材３側へ磁性流体りを滲出させる
こと。

（Ｃ）通常は、磁性流体りがセラミックス板１０内にの
み存在するようにし、上下対向部材３，８とセラミック
ス板ｌＯとの間の各クリアランスには、磁性流体りを介
在させないこと。

（ｄ）前記実施例１から、セラミックス板ＩＯ及び留め
ピン１５を取り除くと共に、上部対向部材８又は下部対
向部材３のいずれか一方を多孔質炭化珪素焼結材料によ
って形成し、磁性流体りを含浸させること。

［実施例２Ｊ 本発明をラジアル軸受けに具体化した実施例について説
明する。

第４図に示すように、固定側には、多孔質炭化珪素焼結
材料によってスリーブ状に形成されたラジアル軸受は部
材２■が設けられ、このラジアル軸受は部材２１には、
回転軸２２が回転可能に挿通されている。この回転軸２
２にはその中心軸線に沿って延びる鉄芯２３が内蔵され
ると共に、この回転軸２２の外周部には、前記ラジアル
軸受は部材２１の内周面に対し、５〜５０μｍの間隔を
隔てて対向するスリーブ状の対向部材２４が一体回転可
能に装着されている。

この対向部材２４の外周面上には、ヘリングボーン状の
動圧溝２５が形成されている。そして、前記回転軸２２
及び対向部材２４が特定方向へ回転されると、この動圧
溝２５の作用に基づいて、ラジアル軸受は部材２１と対
向部材２４との間に介在されている作動流体が動圧を発
生し、回転軸２２がラジアル軸受は部材２１に対し非接
触にて回転されると共に、回転軸２２のラジアル方向へ
の移動が規制される。

また、ラジアル軸受は部材２１の外周面上には、前記回
転軸２２の鉄芯２３を中心とする複数の電磁コイル２６
が配設されており、前記多孔質のラジアル軸受は部材２
１には、前記実施例１と同じ磁性流体りが含浸されてい
る。

従って、この軸受けによれば、前記実施例１同様、各電
磁コイル２６への通電制御により、必要に応じて、ラジ
アル軸受は部材２１から、この軸受は部材２１と対向部
材２４との間のクリアランスに磁性流体りを滲出させて
、軸受けの特性を変更することができる。尚、前記クリ
アランスに滲出された磁性流体りは、それ自身の表面張
力によって、該クリアランスから流れ落ちることなく保
持される。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、相対回転可能な一
対の部材間に介在される作動流体の特性を随時変更可能
とすることにより、荷重変動や回転数変化に対応して、
軸受けとしての性能を常に発揮することができるという
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明を具体化した実施例１を示し、第１
図は断面図、第２図はセラミックス板の平面図、第３図
は作用を説明する断面図、第４図は実施例２を示す断面
図である。 ３．８・・・下部及び上部対向部材、１０・・・セラミ
ックス板（３と１０．８とｌＯによりそれぞれ一対の部
材が構成される）、１３，１４．２５・・・動圧溝、１
６，２６・・・電磁コイル、１７．２３・・・磁性材料
としてのマグネット、鉄芯、２１・・・ラジアル軸受は
部材、２４・・・対向部材（２１と２４により一対の部
材が構成される）、Ｌ・・・磁性流体。 特許出願人　　イビデン　株式会社 代　理　人　　弁理士　恩田博宣（ほか１名）第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　相対回転可能な一対の部材（３、８、１０等）の各
   対向面の何れか一方に動圧溝（１３、１４等）が形成さ
   れた動圧軸受けであって、前記対向する部材（３、８、
   １０等）の少なくとも一方が多孔質セラミックス焼結体
   によって形成され、かつ、その部材（１０等）には磁性
   流体（Ｌ）が含浸されると共に、 前記磁性流体（Ｌ）が含浸される部材（１０等）内に磁
   場を形成して前記磁性流体（Ｌ）の流動を制御する磁場
   形成手段（１６、１７等）が設けられていることを特徴
   とする動圧軸受け。 ２　前記磁場形成手段は磁性材料（１７等）と電磁コイ
   ル（１６等）との組合せからなることを特徴とする請求
   項１に記載の動圧軸受け。 ３　前記多孔質セラミックス焼結体は気孔率が１０〜３
   ５％の炭化珪素焼結体であることを特徴とする請求項１
   又は２に記載の動圧軸受け。