JPH11332173A - 気体軸受モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体の不釣り合いからくるモーメントを
スラスト軸受で支持し、全体として軸長が短く、扁平形
の気体軸受モータを提供する。 【解決手段】回転軸１と、そこに設けられたモータ、ジ
ャーナル気体軸受３、スラスト気体軸受２とを備えた縦
形の気体軸受モータであって、任意の２つの釣り合わせ
修正面の軸方向距離をｂ、ジャーナル気体軸受３に形成
された２つのオリフィス絞りの軸方向距離をＬ１、スラ
スト気体軸受２に形成されたオリフィス絞り部分の直径
をＬ２としたときに、Ｌ１＜Ｌ２ かつ ４×ｂ≦Ｌ２
という関係にをもつ形状にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジャーナル気体軸
受とスラスト気体軸受で非接触支持されたモータに関
し、特に軸長さが短い縦形の気体軸受モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】高速スピンドルモータ等に多用されてい
る気体軸受には、構造上、半径方向に圧縮気体を供給す
るジャーナル軸受と、軸方向に圧縮気体を供給するスラ
スト軸受の２種類があり、それぞれラジアル荷重とスラ
スト荷重を支える。この２つの軸受を用いた従来の縦形
スピンドルモータを図２を用いて説明する。図におい
て、１は回転軸であり、その上部の４１はモータのロー
タ部、４２は位置検出用スケールである。５１はエアギ
ャップを介してロータ部４１の外周に設けられた電機子
巻線であり、ロータ部４１と電機子巻線５１とでモータ
をなしている。５２は位置検出用スケール４２の上側に
エアギャップを介して設けられた位置検出用センサ部で
あり、位置検出用スケール４２と位置検出用センサ部５
２とで回転位置センサをなしている。３はジャーナル軸
受であり、固定側にはエアギャップを介してジャーナル
供給部品３１が設けられている。２は回転軸１の下部に
設けられたスラスト軸受であり、その上下にエアギャッ
プを介して上側スラスト供給部品２２と下側スラスト供
給部品２１が設けられている。回転軸１の下端の８は例
えば研磨工具のような負荷である。

【０００３】このような構成においてジャーナル供給部
品３１に圧縮気体を供給すると、圧縮気体はジャーナル
軸受３のエアギャップに導かれ、ジャーナル軸受が機能
して回転軸１を径方向に非接触支持する。上側スラスト
供給部品２２と下側スラスト供給部品２１に圧縮気体を
供給すると、圧縮気体はスラスト軸受２のエアギャップ
に導かれ、スラスト軸受が機能して回転軸１を軸方向に
非接触支持する。そして、電機子巻線５１に電流を供給
するとロータ部４１と電機子巻線５１との間にトルクが
発生し、回転軸１を回転駆動する。回転軸１はジャーナ
ル軸受３とスラスト軸受２とにより非接触支持されてい
るので高速回転することができるのである。

【０００４】しかし、現実的には、回転軸の不釣り合い
がゼロということはないので、モータが回転すると不釣
り合いからくる遠心力によって回転軸を傾けようとする
モーメントが働く。回転部分の釣り合わせによってこの
モーメントを小さくできるものの、実用上、釣り合わせ
量には限界がある。不釣り合いを完全に除去できないの
で、図１の高速スピンドル等では残留不釣り合いによる
モーメントを主にジャーナル軸受で支持するよう構成さ
れている。このモータの回転数を高くすると、回転数に
比例してこのモーメントも大きくなるため、ジャーナル
軸受を２ヶ所設けるとか、軸方向に長くするなどして軸
受の剛性を増す必要があり、いずれも軸受部分が軸方向
に長くなり、結果としてモータ全体が軸方向に長いもの
となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の気
体軸受モータをスピンドル等に使用するときは、モータ
の軸方向長さが装置の高さを高くしてしまい無駄な空間
を占有しているという問題があった。また、気体軸受は
数μｍから３０μｍ程度の僅かな空隙に圧縮気体を供給
して機能するため、エアギャップへの異物の侵入や回転
軸の不慮の変動等によって軸受部の空隙がなくなり、焼
き付きが発生することがある。そのような場合、部品交
換のため分解をする必要があるが、従来の気体軸受モー
タは軸方向に長いためジャーナル軸受が非常に抜きにく
く、分解のために油圧プレスを用いたり、旋盤で削り落
とす必要があるなど、軸受トラブル時の分解作業が極め
て困難であるという問題があった。本発明は、このよう
な問題に鑑みてなされたものであり、回転体の不釣り合
いからくるモーメントをスラスト軸受で支持し、全体と
して軸長が短く、扁平形の気体軸受モータを提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、回転軸
と、該回転軸に設けられたモータと、前記回転軸に設け
られたオリフィス絞り方式のジャーナル気体軸受と、前
記回転軸に設けられたオリフィス絞り方式のスラスト気
体軸受とを備えた縦形の気体軸受モータにおいて、任意
の２つの釣り合わせ修正面の軸方向距離をｂ、前記ジャ
ーナル気体軸受に形成された２つのオリフィス絞りの軸
方向距離をＬ１、前記スラスト気体軸受に形成されたオ
リフィス絞り部分の直径をＬ２としたときに、Ｌ１＜Ｌ
２ かつ４×ｂ≦Ｌ２ としたことを特徴としたのであ
る。このようにすることことにより、従来の気体軸受モ
ータと比べると、回転部の不釣り合いによるモーメント
荷重をスラスト軸受で抑えることができ、軸長さが短い
扁平形のスピンドルモータを提供することができるので
ある。

【０００７】

【発明の実施形態】以下、本発明の気体軸受モータの実
施の形態について図１に基づいて説明する。図において
１は円筒状の回転軸、２は回転軸１の外周に設けた円板
を構成要素の１つとするスラスト軸受、３は回転軸１の
外周に設けられたジャーナル軸受、４１は回転軸１の上
部に固着されたモータのロータ部、４２はロータ部４１
の上部に固着された回転センサの位置検出用スケール、
８は回転軸１の下端に固着された例えばワークのチャッ
ク用コレットのようなモータの負荷であり、これらによ
ってモータの回転部分をなしている。２２、２１はスラ
スト軸受２の回転側円板の上下に設けられた上側スラス
ト供給部品と下側スラスト供給部品、３１はジャーナル
軸受３の固定側部品であるジャーナル供給部品、５１は
モータの固定側部品である電機子巻線、５２は回転位置
センサの固定側部品である位置検出用センサ部であり、
これらがフレームに固定されて固定部分をなしている。
スラスト軸受２の回転側円板と上側スラスト供給部品２
２、下側スラスト供給部品２１はエアギャップを介して
対面しており、ジャーナル軸受３の回転側とジャーナル
供給部品３１、モータのロータ部４１と電機子巻線５１
も、それぞれエアギャップを介して対面している。ジャ
ーナル軸受３とスラスト軸受２はそれぞれ固定側の部品
３１と２２、２１とで前記エアギャップに圧縮気体が供
給されて機能する気体軸受である。ジャーナル供給部品
３１には圧縮気体供給用の２つのオリフィス絞りが形成
されており、上側スラスト供給部品２２と下側スラスト
供給部品２１にもオリフィス絞りが周方向に分布するよ
う形成されている。エアギャップの大きさは数μｍから
３０μｍ程度であり、軸受の直径や気体の供給圧力など
幾つかのパラメータに応じて適宜決められる。位置検出
用センサ部５２は位置検出用スケール４２の対面する周
方向位置の1 ヶ所に設けられ、同じく位置検出用スケー
ルとエアギャップを介して対面している。このセンサに
よって得られる信号をもとに、ロータの回転位置や回転
速度が制御される。

【０００８】このような構成において、スラスト軸受２
の円板は回転部分の釣り合わせをするための第1 の修正
面６２に位置しており、円板の外周を削って釣り合わせ
の修正がされる。ロータ部４１の上面は同じく第2 の修
正面６１になっており、その外周を削って釣り合わせの
修正がされる。この2 つの修正面の軸方向距離をｂと
し、ジャーナル軸受に形成された２つのオリフィス絞り
の軸方向距離をＬ１、スラスト軸受に形成されたオリフ
ィス絞り部分の直径をＬ２とすると、Ｌ１＜Ｌ２であ
り、且つＬ２≦４×ｂとなるよう構成されている。

【０００９】ここで回転部分の不釣り合いについて説明
する。回転体の不釣り合いがゼロであれば、ジャーナル
軸受には力が作用せず、スラスト軸受は回転体の質量を
支持できればよく、回転体自身には動的なモーメントは
かからない。しかし、現実には仕上がり精度からくる不
均一のため、動的釣合試験機により回転体の不釣り合い
を測定し、除去する必要がある。通常この釣合修正作業
における試験機自体の性能や計測時の外乱による測定誤
差、機器・作業上のコスト的制限等から、許容できる不
釣り合い量が設計段階において指定されている。そこで
通常はその許容不釣り合い量から回転軸を曲げようとす
るモーメントを考慮してジャーナル軸受の剛性が決めら
れている。

【００１０】JIS B0905 回転機器の釣合良さ−剛性ロー
タにおける許容アンバランスで示されている計算では、
例えば、修正面１と修正面２をもつ２面釣り合わせの場
合、許容残留不釣り合いUperを各修正面の残留不釣り合
いＵ(per1)、Ｕ(per2)に配分する方法はロータの質量中
心が軸受間距離を三等分した中央の部分にあり、かつ、
両修正面が両軸受を挟んで外側にあるときは、ｂを修正
面１から修正面２までの距離、Ｌ１をジャーナル軸受に
形成された２つのオリフィス絞りの軸方向距離として、
修正面１の許容残留不釣り合いＵ(per1)は、Ｕ(per1)＝
(h2・L1・Uper)/(b・ b)で、また、修正面２の許容残留不
釣り合いU(per2) は、U(per2)=(h2・L1・ Uper)/(b・ b)で
表わされ、許容不釣り合い量からくる回転軸を曲げよう
とするモーメントをジャーナル軸受で支持することを考
えているため、ジャーナル軸受に形成された２つのオリ
フィス絞り間の軸方向離L1が小さくなると、このモーメ
ントが大きなラジアル荷重となってジャーナル軸受に作
用することになるので、許容アンバランス量が計算上異
常に小さな値となってしまう。

【００１１】ところが、スラスト軸受を半径方向に大き
くすると、スラスト軸受の剛性が増して前記モーメント
を支持することができる。特に、ジャーナル軸受に形成
された２つのオリフィス絞りの軸方向距離L1とスラスト
軸受に形成されたオリフィス絞り部分の直径L2とを、Ｌ
１＜Ｌ２且つＬ２≧４×ｂとすると、JIS B0905 回転機
器の釣合良さ−剛性ロータにおける許容残留不釣り合い
の計算において、スラスト軸受に形成されたオリフィス
絞り部分の直径Ｌ２で、モーメントを支持するため、修
正面１と修正面２の距離がスラスト軸受に形成されたオ
リフィス絞り部分の直径の１／３より小さいときは許容
残留不釣り合いを静不釣り合いと偶不釣り合いとに分
け、偶不釣り合いは修正面１及び修正面２に配分でき、
U(per1)=U(per2)=(Uper ・31)/(2・4b)で表わされる。こ
こで、L2≧4 ×b としているため、U(per1)=U(per2) ≧
(Uper ・3・4b)/(2・4b)=1.5Uper となり、偶不釣り合いの
許容値はUperの1.5 倍以上となる。従ってジャーナル軸
受でモーメントを受けるとするときの計算値より大きく
なり、バランス修正作業においてコスト的及び作業上実
現が容易となってくる。

【００１２】次に具体的な設計値を１つ例示すると、ス
ラスト軸受に形成されたオリフィス絞り部分の直径Ｌ２
が320mm 、ジャーナル軸受に形成された２つのオリフィ
ス絞りの軸方向距離Ｌ１が65mm、第２の修正面６１にあ
るロータ部４１の直径が295mm 、第１の修正面６２にあ
るスラスト軸受２の円板の直径が370mm 、２つの修正面
の軸方向距離ｂが65mmであり、Ｌ１（=65 ）＜Ｌ２（=3
20）と、４×ｂ（=260）≦Ｌ２（=320）を満足して扁平
構造の気体軸受をなしていることがわかる。

【００１３】この体格における釣り合わせに関する試算
は次のようになる。７は回転軸１の質量中心、質量中心
７から修正面６１までの軸方向距離は36.5ｍｍ、質量中
心７から修正面６２までの軸方向距離は28.3mmである。
これは、JIS B0905 回転機器の釣合良さ−剛性ロータに
おける許容残留不釣り合いの各修正面への配分におい
て、２面釣り合わせの場合の修正面が軸受の外側にある
場合に該当し、回転体質量10.5Kg、モータ回転数3000rp
m の許容不釣り合い等級Ｇ１に対して、修正面６１では
5.67g ・ mm、修正面６２では7.26g ・ mmとなり、ともに
10g ・ mm以下であるので動的釣合試験機での作業コスト
などを考えると、これを実現するにはかなり困難であ
る。しかし、前記のようにスラスト軸受に形成されたオ
リフィス絞り部分の直径が大きいので、不釣り合いによ
る曲げモーメントをスラスト軸受が充分に受けることが
できる。修正面１から修正面２までの軸方向距離はスラ
スト軸受に形成されたオリフィス絞り部分の直径の１／
３より小さいので、許容残留不釣り合いを静不釣り合い
と偶不釣り合いとに分け、偶不釣り合いは修正面１と修
正面２に配分でき各修正面での不釣り合い量は、U(per
1)=U(per2)=(Uper ・3・L2) ／(2・4b)=62g・ mm、静不釣り
合いの許容値は、その基本的な考え方が質量中心位置で
の偏重心が許容残留比不釣り合いeperということで、前
出のJIS の条件では静不釣り合いと偶不釣り合いによる
効果を半分ずつとして考えているので、修正面３から遠
い方の軸受までの距離をｃとすると、ｃ＝（Ｌ２）／２
で、U(per3)=0.5・Uper=16.8g・ mmとなり、その値は、２
つの修正面の不釣り合いからくるモーメントをジャーナ
ル軸受で支持すると考える算出式よりも、実現すること
が比較的容易である。

【００１４】ここで、静・偶不釣り合いの修正をする場
合について補足すると、２通りのやり方がある。その一
つとして、通常は修正面が３つ必要であるが、実際上は
２つの修正面で充分であり、静・偶不釣り合いの修正は
２つの修正面のうち、ロータの質量中心に近い方が選ば
れる。もう一つは、修正面３はJIS では修正面１と修正
面２の中間とされているので、測定された静不釣り合い
を修正面１と修正面２にそれぞれ半分ずつ加え、偶不釣
り合いは、２つの修正面を使って、同じ量で互いに１８
０度反対方向に修正を加えられる。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によると、軸方
向に短いモータを提供することができるため、モータを
組込むスペースの高さを低く抑えることができるととも
に、軸方向にモータを複数台組込む場合でも組込む装置
高さを低く抑えることができる。また、軸受と圧縮気体
供給部品との間に焼き付けなどのトラブルが発生して分
解する必要が生じた場合でも、ジャーナル軸受の軸方向
の長さが短いため、従来に比べて分解が容易であるとい
う効果があり気体軸受モータの実用性を高めることがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の気体軸受モータの正断面図

【図２】従来の気体軸受モータの正断面図

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ スラスト軸受 ２１ 下側スラスト供給部品 ２２ 上側スラスト供給部品 ３ ジャーナル軸受 ３１ ジャーナル供給部品 ４１ モータのロータ部 ４２ 位置検出用スケール ５１ 電機子巻線 ５２ 位置検出用センサ部 ６１、６２ 修正面 ７ 質量中心 ８ 負荷

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸と、該回転軸に設けられたモータ
   と、前記回転軸に設けられたオリフィス絞り方式のジャ
   ーナル気体軸受と、前記回転軸に設けられたオリフィス
   絞り方式のスラスト気体軸受とを備えた縦形の気体軸受
   モータにおいて、 任意の２つの釣り合わせ修正面の軸方向距離をｂ、前記
   ジャーナル気体軸受に形成された２つのオリフィス絞り
   の軸方向距離をＬ１、前記スラスト気体軸受に形成され
   たオリフィス絞り部分の直径をＬ２としたときに、 Ｌ１＜Ｌ２ かつ ４×ｂ≦Ｌ２ としたことを特徴とする気体軸受モータ。