JPH048915A - ラジアルスラスト軸受および組立て方法 - 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、精密機械などの機械要素である案内手段、特
に軸受の分野に関するものである。

〔従来の技術〕

従来技術の第１の例として、文献（古川勇二ほか：主軸
系および案内系の設計、工作機械８４゜大河出版、Ｐ５
３〜６１）に記載のように、狭い隙間に加圧流体を強制
的に外部より供給して、その流体膜によって負荷を支持
するものがある。軸受の基本形は、半径方向の荷重を支
持するラジアル軸受と軸方向の荷重を支持するスラスト
軸受である。軸受の形状としては、上記の基本形のほか
、該文献の図３に示されるように軸受面を球、半球、円
錐にしてラジアル、スラスト両方向の荷重を支持するも
のがある。

第２の例として特開昭６１−２９０２３２号公報に記載
のように、多孔性軸受ブツシュを中空円錐形状に加工し
て、これに相補的に形成された軸受体をはめ込ませた軸
受の例が示されている。

第３の例として、実開昭６２−１１２３２０号公報に記
載のように、軸受ハウジングの両端にテーパ状のブツシ
ュをはめ、同じくテーパ状の細部をはさみ。

軸受隙間ｗａ用ライナを回転軸方向に調整して軸受隙間
を設定する軸受の例が示されている。

第４の例として、実開昭５７−１９１３号公報、実開昭
５７−２８９２６号公報に記載のように、ラジアル荷重
とスラスト荷重を受けられる円錐台形状の軸受において
、案内面で形成される軸受隙間に潤滑剤を介在させて、
軸の回転に伴って発生する潤滑剤の動圧力で軸受隙間を
保つ動圧型軸受の例が示されている。

第５の例として、実開昭５８−４２４２０号公報に記載
のように、相補的なテーパ状の案内面を相互に滑らせて
用いる滑り軸受の例が示されている。゛〔発明が解決し
ようとする課題〕 軸受の回転精度を高めるためには案内面の形状寸法を高
精度に加工し、また、負荷容量を大きくするためには案
内面に均質な面絞りを加工したり、さらに、小流量で高
い軸受剛性を得るためには案内面で形成される軸受隙間
を微小にする必要から、案内面の面粗さの小さな高精度
加工が要求される。

従って、加工時の変形を防いで高精度加工を行うため、
構造体が大きくなり、さらに、軸受隙間を微小に保つた
め、極めて厳しい寸法公差が要求される。その結果、製
造コストが高くなり、さらに、組立て調整や保守に特殊
技能を必要とするなどの技術課題がある。

上記従来技術の第１の例では、ラジアルとスラストの両
方向の荷重を支持するために、回転するスピンドルの両
端にラジアル軸受とスラスト軸受を設けたり、スピンド
ルの両端を円錐形状にして、独立に軸受を設ける構造が
用いられていた。これらは、いずれも互いに独立した軸
受をスピンドルに対して、位置合わせしなければならず
、狭い軸受隙間を確保するため、スピンドルや軸受に対
する加工精度や組立て精度に高度な技術やノウハウを要
するという技術課題があった。

また、高速回転用の軸受に対しては、温度上昇による軸
受隙間の調整が行えないため、軸受隙間を微小に設計で
きず、その結果、剛性の低下や使用流量の増大を伴うと
いう技術課題もあった。さらに、軸受隙間での接触焼き
付きなどのトラブルが発生すると、はめあわせ公差が厳
しいため、その修復が極めて困難になるという技術課題
があった。

従来技術の第２の例では、多孔性ブツシュの案内面の加
工に際して、無数に存在する孔を埋めずに加工すること
が難しく、加工後に案内面をエツチングするなどの仕上
げ加工が必要とされ、所望の寸法形状が得にくく、その
分、相補的な軸受体との間で形成される軸受隙間を微小
にすることが困難である。特に、倣い成型が難しい金属
材料等で軸受体を作る場合には微小な軸受隙間が容易に
得られないという技術課題があった。

従来技術の第３の例では、回転軸上の２カ所のテーパ状
の軸受部に独立に気体を供給する構造であるため、テー
パ状ブツシュの外側やハウジング内にそれぞれ独立した
給気用の流路を形成しなければならない。また、２カ所
の軸受部に挾まれた領域に排気用の流路を確保しなけれ
ばならず、少なくとも３カ所の給気及び排気孔や流路が
必要とされる。その結果、構造が複雑で、小型化が困難
であるという技術課題があった。

上記従来技術の第４の例では、使用している潤滑剤の外
部への漏れを防ぐ機構が必要になり、構造が複雑になり
、軸受間隙の管理上の技術課題があった。また、潤滑剤
使用の動圧軸受のため高速回転に伴う発熱による軸受隙
間の変化に対処できないという技術課題があった。

上記従来技術の第５の例では、滑り軸受のため構造は簡
単であるが、負荷容量を向上しにくく、さらに液体潤滑
のため高速回転が難しい等の技術課題があった。

本発明の目的は、上記の技術課題を解決する軸受を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、一つ以上の円錐台形状の軸
受の案内面上の複数個の開校りへの気体導入路を、円錐
台形状の案内の底面が他方の案内と接する境界を含む、
回転軸に垂直な一つの環状の空間で形成される軸受隙間
の交差領域に設け、全ての該面絞りの一端が該気体導入
路につながる構造にした。また、軸受隙間の自動調整の
ために、上記軸受の分割可能な部分の接触部分に回転軸
方向に信号に応じて変位する手段を設けた。

〔作用〕

円錐台形状の案内の底面が他方の案内と接する境界を含
む、回転軸に垂直な一つの環状の空間で形成される軸受
隙間の交差領域に気体導入路を設け、複数個の開校りを
この気体導入路から分岐する構造としたことにより、一
つの供給路から複数の開校りを作用させることが可能と
なった。従って、軸受のハウジング内または、その外側
に気体の供給配管路を形成したり、共通の配管路から各
開校りへつながる給気孔を形成する必要がないため、軸
受のハウジングの小型化が可能となった。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を第１図により説明する。

図中の共通の符号は同一機能のものである。

第１図は本発明の一実施例の軸受の断面外観図である。

一つの内側の案内である内輪１と二つに分割可能な外側
の案内である外輪２，３とから主に構成されている。外
輪２，３を固定リング４を介して、内輪１を包含するよ
うに、同一の回転軸上で構成することにより、所定の軸
受の間隙５゜６が形成される０間隙５は内輪１の案内面
７と外輪２の案内面９とにより、間隙６は内輪１の案内
面８と外輪３の案内面１０とにより数μｍ以下の互いに
平行なすき間として形成される。案内面７゜９は互いに
等しい頂角αの円錐台の斜面をなし、案内面８，１０は
互いに等しい頂角βの円錐台の斜面をなしている。案内
面７，８，９．．１０の面粗さは各々サブミクロンレベ
ルに滑らかに仕上げ加工され、案内面７，８の円錐台の
中心軸は互いにサブミクロンレベルの同軸度に加工され
ている。

内輪１を包含して形成される間隙５，６の間隔は外輪２
，３の中心軸上の距離に依存しており、この距離を固定
リング４により規制している。即ち、固定リング４の軸
方向の長さを所望の値にして、外輪２，３ではさみ込み
取付穴２２で固定すれば、間隙５．６が所定の値に構成
される。固定リング４は円筒形状であるため、その軸方
向の長さを調整することは極めて容易であり、従って、
間隙５゜６の設定が極めて容易となる。

一般に、静圧軸受では軸受間隙が小さくなるほど、少な
い流量で高い軸受剛性を達成できることが知られている
６本発明の軸受では、内輪や外輪の案内面７〜１０であ
る一定の頂角の円錐台の斜面の面形状だけを高精度に加
工し仕上げれば良く、固定リング４の平行な端面間の長
さを調整するだけで、軸受間隙を設定できるので、はめ
あわせ等の寸法公差上の制約が解消され、低コストで精
度の高い加工が容易に出来るという利点がある。

また、微小な軸受間隙への異物混入により生じる案内面
同志の焼き付は事故等に対して、二つに外輪を分割すれ
ば容易に軸受間隙を拡大することが可能なため、損傷個
所を広げずに分解して補修し再調整することが容易に行
えるという保守上の利点もある。

二つの外輪の組立て方法としては、案内面に気体等の流
体を供給噴出させながら、あるいは、可溶性または、揮
発性の液体を塗布し介在させながら内軸１を外輪２，３
ではさみ込む方法を用いる。

この方法を用いれば、軸方向の取付穴２２の取付ねじを
漸次締めるだけで、内輪および外輪を同一の回転軸上に
アライメントできるので１間隙５゜６が回転軸回りに対
称に均一に形成できる。

次に、軸受間隙への気体等の流体の供給方法について述
べる。円錐台形状の内軸１の等しい直径の底面の円錐台
の周囲、即ち、内軸１の最外周部分を面取り加工してお
くことにより、軸受間隙５と６とが交差する領域に環状
の流路１１が形成できる。この流路１１につながる一つ
の給気孔３１より所定の圧力の気体を供給する。このよ
うに、構造体内に複雑な配管や流路の加工なしに、内輪
の最外周領域だけを利用して、二つの軸受間隙５と６へ
の流路が形成できるので、構造体の肉厚を薄く出来、小
型軽量化が図れるようになった。

なお、使用する媒体は、空気等の気体で、流路断面積や
、軸受の間隙量を設計する手法には公知の流体軸受の解
析手法を適用できる。なお、内輪や外輪、固定リングの
軸方向の高さや円錐台の必要寸法をあらかじめ計測して
おき、適切なものを組み合わせて組み立てることも可能
である。

なお、本発明の軸受の利用のため、外部固定部材への取
付は用の取り付は穴２３や回転軸への取り付は穴２４が
あらかじめ設けられている。外輪２．３の案内面には軸
受の負荷容量を高めるために、開校りが加工されている
。

第２図は外輪の案内面に開校り２５をエンドミル２６で
加工する方法を示した一例である。本発明の軸受は案内
面が円錐台の形状を成しているため、案内面に必要な開
校りの加工が１図示したように被加工面に対して垂直に
治具を構えて行える。

特に、ミクロンオーダーの加工精度を必要とする開校り
の加工は、外から直視上状態で加工が行えるため、精度
が得やすく、加工コストも安価になる。特に開校りへの
／ＩＸさな供給孔の加工を必要としないためセラミック
ス材料のような難加工材や硬質材処理された案内面を軸
受として採用することも可能となった。このように本発
明では、高精度な加工が極めて容易となるため、高性能
な軸受を安価に提供できる利点を有している。

各開校りの一端は開放されており、二つの外輪を対面さ
せた状態で第１図記載の流路１１につながるため、複数
個ある開校りに個々に小さな供給孔を加工する必要がな
いという利点は本発明の大きな特徴である。なお１以上
述べた案内面の加工を容易に行うためには、円錐台の頂
角α、β（図１参照）を７０度〜１５０度に設計するこ
とが望ましい。

第３図に外輪を２分割構造とし、いんろう部分によって
互いに二つの外輪の中心軸合わせを行いながら、軸方向
の距離を設定して組み立てる構造にした実施例を示す。

外輪４２．４３に、中心軸を規制するはめあわせ部分４
３と軸方向の距離を規制する部分４４とが設けられてい
る。はめあわせ部分４４に中心軸方向への適当なオフセ
ット量を発生可能な手段を設けることにより、軸受回転
時の熱膨張や遠心力による変形に起因する軸受の間隙変
化に対応して、軸受使用時に最適な軸受間隙が形成する
ように設計することが可能である。

なお、内輪を固定して外輪を転動する構造とすることも
容易に考えられる。また、給気流路や面絞り等の構造に
関しては既述の内容と共通である。

第４図に二つの内輪と一つの外輪から構成される本発明
の第２の実施例を示す。内軸５２，５３が外輪５１をは
さむように、同一の回転軸上にそれぞれを構成すること
により、所定の軸受の間隙５．６が形成される。間隙５
，６はそれぞれ外輪５１の案内面と内軸５２の案内面、
および、内軸５３の案内面とにより数μｍ以下の互いに
平行なすき間として形成される。それぞれの案内面は互
いに等しい頂角の円錐台の斜面をなしている。外輪５１
をはさんで形成される間隙５，６の間隔は内輪５２．５
３の中心軸上の距離に依存しており、この距離を固定リ
ング５４により規制している。

即ち、固定リング５４の軸方向の長さを所望の値にして
、内輪５２．５３ではさんで取付穴２２で固定すれば、
間隙５，６が所定の値に設定される。

固定リング５４は円筒形状であるため、その軸方向の長
さを調整することは極めて容易であり、従って、間隙５
，６の設定が極めて容易となる。

外輪５１の二つの円錐台の交差する凸部は面取り加工さ
れ、固定リング５４とで挾まれて、一つの環状の流路を
形成する。この環状の流路から各案内面の面絞りが分岐
している。

第５図に負荷容量を増すための浅い面絞り用溝を加工し
た外輪の断面の外観図を示す。外輪５１に複数の面絞り
用溝２５が形成されている。供給孔３１から面絞りへの
流体の供給は、軸受を組立てた時に形成される流路、即
ち、円錐台の案内面の交差する最内周の面取り加工部５
５に接する流路を介して行われる。

なお、軸受の面絞り等の加工方法、軸受の組立て方法、
転動軸や固定軸の取付方法等については既述の事柄の応
用として容易に考えられる。軸受の案内面に加工される
面絞りを固定軸側に設ければ、圧力分布の移動に伴う重
心の移動が生じないため、安定した回転精度が得られる
。従って、内輪が固定されるときには、内輪側に面絞り
を加工することが望ましい。また、大きな負荷が加わる
場合には、過負荷を受ける案内面の面絞りの容積を増や
したり、流路側と反対側の面絞りの容積を漸次拡大する
構造とすることが望ましく、最小の軸受隙間を形成でき
、少ない気体流量で軸受を作動させることが可能となる
。

さらに、これらの面絞りの回転方向に対する傾斜角度を
所定値になるように設計すれば、動圧型の気体軸受効果
を併用できる１回転起動時に、僅かの静圧力で軸受を浮
上させてから回転始動し、回転に伴う動圧力の発生後は
、気体の供給を停止して、動圧効果だけで軸受を浮上さ
せ続ける１回転停止時には、動圧効果がなくなり回転停
止するまでの間だけ、気体を供給して軸受をソフトに着
陸させ停止させる構造とすることも容易である。

このように、変則的な面絞りを加工できるのも、円錐台
形状の案内面上に、独立した給気孔を必要としない、一
つの流路から分岐した構造の面絞りが加工できる本発明
の特徴である。

本発明の第３の実施例として、軸方向の負荷容量を増す
ため、二つの部材からなる内輪の一方の形状を円板とし
、他方を円錐台状として、円錐台の半径の小さい底面と
それより半径の大きい円板との中心軸を合わせて接した
構造の軸受も考えられる。この場合にも、既述したよう
な、軸受間隙の設定のために両者の間に円筒状の固定リ
ングを介在させたり、円錐台底面の交差した凸部を面取
り加工し流路を形成し、そこから分岐する面絞り等を形
成したり、種々の組立てや加工方法を用いることは応用
として容易に考えられる。

以上述べてきた本発明の軸受の主要構成要素である内側
や外側の案内である内輪や外輪は、軸受面の平坦形状の
みが製作上の制限となり、はめあわせ等の寸法公差が不
要なので精密鋳造法等などで製作可能であり、コストの
低減が図れる。この時の軸受の間隙は、固定リング等の
長さの調整で容易に可能であるので軸受の性能は低下し
ない。

また、本発明の軸受の主要構成要素である内側や外側の
案内は案内面の材質をセラミックス化したり、硬質材等
の異種材料を公知のスパッタ法や蒸着法、メツキ法、溶
射法などを用いて案内面に積層させた構造にすることも
容易である。このような特殊処理を施しても、案内面の
寸法精度を損なわずに加工が容易に行えるため、特殊な
環境での使用を目的とする軸受の提供も可能となる。

以上述べてきた、本発明の実施例の軸受けは内輪と外輪
との組合せ構造体だけで、ラジアル軸受とスラスト軸受
の両方の機能を有した軸受単体を構成できる。従って１
本発明を応用して種々の性能の軸受を規格化して置けば
、種々の組合せで軸受を用いたシステムや装置を構成す
ることが容易になる。

本発明の第４の実施例として、軸受の中心軸と一致した
駆動軸上に、多面鏡を設ければ軽量で高精度かつ高速回
転可能なポリゴンミラーを提供可能である。第６図は、
小型化したポリゴンミラーの一例である。内輪８１，８
２．外軸８３．多面鏡８４．駆動軸８５．モータ８６．
継手８７から構成され、ハウジング８８に取り付けられ
ている。

本発明の第５の実施例として、軸受中心軸と一致した駆
動軸上に、薄い円板状物を固定可能な手段を設けること
により、磁気ディスクや光デイスク装置用の小型高性能
なディスクチャックを提供することも可能である。

本発明の第６の実施例として、軸受中心軸と一致した駆
動軸上に、回転型の記録再生用ヘッドを設けることによ
り、小型高性能な磁気テープや光テープに記録を読み書
き可能な回転ヘッドを提供できる。

通常軸受を長時間、高速回転させると軸受すき間を流れ
る媒体の摩擦熱や回転時の遠心力による膨張等などに起
因して、軸受の間隙量が変化して軸受の性能を損ない、
軸受間隙が小さいほどその対策が必要となる。こうした
現象に対応して、軸受の間隙量を常に最良の値に保つこ
とは従来の軸受では極めて困難であった。それに対して
１本発明の軸受の場合には、二つに分割可能な内輪また
は外輪とではさまれる固定リングに軸方向の距離を変化
させる機能を持たせることにより容易に解決できる。そ
の−例として、温度依存性のある形状記憶合金で固定リ
ングを構成し、所定のバネ力による負荷を与えてはさみ
固定する構造が考えられる。また別の例としては、電歪
材で固定リングを構成し、転動部の回転数や軸受の温度
を検出して、回転数や温度に対応して、常に軸受の間隙
量が所望の値になるように自動的に軸受間隙を制御する
ことも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の軸受に比べて小型で、軸受すき
間が小さく、小流量で、大きな負荷容量と高い軸受剛性
を有する軸受が安価に提供できるようになる。さらに、
小型小流量であるため、小型ポンプを併設した携帯可能
な軽量な空気軸受が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の外観図、第２図は一実施例
の外輪の加工法を示す外観図、第３図は本発明の別の一
実施例の外観図、第４図は本発明の別の一実施例の外観
図、第５図は別の外輪の外観図、第６図は本発明の別の
一実施例の外観図である。 １・・・外輪、２，３・・・内軸、４・・・固定リング
、５゜６・・・間隙、７〜１０・・・案内面、２５・・
・面絞り。 ２６・・・エンドミル、３１・・・供給孔、８４・・・
多面鏡、第 図 ■ 図 ■ 固 エ〉トミル 第 図 固υリシフ゛

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１軸上の回転運動のみを可能とする一つの外側の案
   内と２個に分割可能な内側の案内、あるいは、一つの内
   側の案内と２個に分割可能な外側の案内から構成され、
   該内側と外側との案内は互いに相補的な円錐台形状の案
   内面を一つ以上有し、該案内の案内面上に面絞りを有し
   、円錐台形状の該案内の底面と１個の円板形状の案内と
   を、あるいは、第２の円錐台形状の案内とを、各案内の
   中心軸を互いに一致させ、相補的な案内面とが互いに近
   接する構造を成し、媒体として気体、特に空気を用いる
   軸受において、案内面上に面絞りを複数有し、該面絞り
   への流路抵抗の小さな気体導入路を、円錐台形状の案内
   の底面が他方の案内と接する境界を含む、回転軸に垂直
   な一つの環状の空間で形成される軸受隙間の交差領域に
   設け、全ての該面絞りの一端が該気体導入路につながる
   構造を特徴とするラジアルスラスト軸受。 ２、請求項１記載の軸受において、気体導入路からの分
   岐点から遠ざかるにつれて、容積を拡大した構造の面絞
   りを有することを特徴とするラジアルスラスト軸受。 ３、請求項１記載の軸受において、内側または外側の案
   内のうち、転動しない固定側の案内の案内面上に面絞り
   を形成し、該案内面の過負荷側の面絞りの容積を相対的
   に大きくした構造を特徴とするラジアルスラスト軸受。 ４、請求項１記載の軸受において、回転に伴う動圧力を
   発生せしめる所定の傾斜角度を持たせた複数個の面絞り
   を有することを特徴とするラジアルスラスト軸受。 ５、請求項１記載の軸受において、転動部分の回転速度
   検出手段や温度検出手段を有し、分割可能な案内の中心
   軸方向の距離を可変可能な手段として、電歪材等の変位
   発生手段を有し、回転速度や温度に応じて、該中心軸方
   向の距離を変化させて軸受隙間を制御することを特徴と
   するラジアルスラスト軸受。 ６、請求項１記載の軸受において、案内面の材質をセラ
   ミックスとしたことを特徴とするラジアルスラスト軸受
   。 ７、請求項１記載の軸受において、案内面に硬質材料を
   積層させたことを特徴とするラジアルスラスト軸受。 ８、請求項１記載の軸受において、中心軸を同一にした
   回転多面鏡の端部を案内とし、さらに、駆動手段を有す
   る構造を特徴とするポリゴンミラー。 ９、請求項１記載の軸受において、中心軸を同一にした
   円板固定手段の端部を案内とし、さらに、駆動手段を有
   する構造を特徴とするディスクチャック。 １０、請求項１記載の軸受の組立て方法においてに、案
   内面に液膜を介在させて、分割可能な案内を互いに固定
   し、固定後該液膜を除去することを特徴とする軸受の組
   立て方法。