JPS5858527B2 - 回転装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体軸受によって支持される回転装置において
、極径小の流体軸受を形成して、前記流体軸受に発生す
る油膜圧力と、マグネットの吸引力を平衡させることに
より、前記流体軸受油膜部の厚みを僅少に保ち、高精度
な回転機能と、かつ軸受部の摩耗を抹消した回転装置を
提供する。

スラスト方向の位置規制を行うために、例えば、ラジア
ル流体軸受と組み合わせた第１図のような軸受構造は次
のような特長を有する。

（１）固定軸１０１の先端部に形成された球面形状ノヒ
ホット軸受１０２にはハウジング（［ｏ１転部）１０３
の自重が加わるため、回転時静止時共、常にハウジング
端面１０４に圧着している。

ピボット軸受１０２は点接触であるために、回転負荷が
小さく、始動時低トルクで回転駆動できる等の特長を有
する。

（２）簡易な構成で、スラスト方向の位置規制ができ、
例えば、ラジアル流体軸受１ｏ５と組み合わせることに
より、高精度な回転機能を得ることができる。

固定軸１０１のハウジング１０３に係合している部分を
同径（もしくは上部が径小）とすれば、ハウジング１０
３のみを固定軸１ｏ１から上方に（矢印Ａの方向）取り
はずすことができる。

これは、装置の構造・組立方法を非常に簡易にすること
ができ、例えば、レコード・プレイヤー、磁気ディスク
等に本装置を適用した場合、・・シリンダ１０３と固定
部が取りはずし自在であることは非常に有用である。

しかし、上記１，２の長所に対して、第１図のようなピ
ボット支持構造を、近年増々高精度化されつつあるＶＴ
Ｒシリンダ等に適用しようとする場合、次のような点が
問題となる。

装置の長期にわたる連続運転によって、機械的接触部で
あるピボット軸受１０２の先端部は徐々に摩耗する。

ＶＴＲシリンダの場合、先端部の摩耗によって、回転シ
リンダに設けられたヘッド位置が降下することになり、
これはテープ・ヘッド間の相対位置の変化となる。

相対位置の変化の許容範囲はＶＴＲの高記録密度化・ポ
ータプル化と相間って近年増々小さくなり、例えば、実
施例ではδ−５μ以下に収めることが要請されている。

その方策として、境界潤滑性の優れた潤滑油を用イて、
かつピボット軸受１０２むよヒソノ接触面に耐摩耗性の
優れた材質（例えば、セラミック、超硬、宝石等）を組
み合わせて、用いる方法がある。

しかし、長期にわたる連続駆動にも・いては上述した方
法でも、増々高精度化が要求されるＶＴＲシリンダの仕
様を満足させる許容量内に、摩耗量を減少させることは
コスト・量産性を考慮した場合、多くの課題があった。

他の対策として、ピボット軸受１０２先端部と相対する
面（・・シリンダ端面１０４）に円錐溝を形成して、点
接触ではなく線で接触させることにより、軸受面の接触
面圧を減少させる方法である。

しかし、この場合、固定軸１０１の軸芯と・・シリンダ
１０３の軸芯を一致させることが部品製作・組立の点で
難かしかった。

円錐形状の軸と、ころがり軸受を用いたピボット軸受も
通常用いられているが、前述した円錐溝の場合と同様の
問題に加えて、装置全体の構造が複雑化する等の難点が
あった。

本発明は前記ピボット軸受構造の長所１，２を損うこと
なく欠点を解消し、加うるに装置の姿勢に関係なく高精
度な回転機能を有する回転装置を提供する。

そして、軸先端部に、極小サイズのスノ〈イラルグルー
プを形成し、マグネットの吸引力と平衡させることによ
り回転部を流体力学的に僅少量浮上させ、装置の姿勢に
関係なくスラスト方向の位置精度を損わないで摩耗を抹
消することに成功したもので、以下本発明の実施例につ
いて説明する。

第２図は本発明の一実施例であり、僅径小の流体軸受の
油膜圧力と、ダイレクト・ドライブモータの吸引力とを
平衡させた回転装置の基本構成図である。

１は固定軸、３は固定軸１と回転可能に係合されたハウ
ジング、４はノ・シリンダ端面、５はラジアル軸受部、
６は固定軸１を固定する下部ベース、７はマイクロ・グ
ループ、８は固定軸１の端面である軸端面である。

軸端面８は平坦になっており、その中央部には微小径の
突出部８ａが設けられ、その表面には上記スパイラルグ
ループ７の溝が形成されている。

この部分を、マイクロ・グループと称することにする。

９はＤＤモータ（ダイレクト・ドライブ・モータ）のア
マチャ−・マグネット、１７はポジション・ロータ、１
０はポジション・ステータ、１１はマグネット・ケース
、１２はブツシュ、１３はスリーブ、１４は電機子コイ
ル、１５はコイル鉄芯、１６は固定板である。

アマチャ−マグネット９はマグネットケース１１に収納
されてむり、またマグネット・ケース１１はスリーブ１
３にブツシュ１２を介して締結される。

ポジションロータ１７、ポジション・ステータ１０は一
般のＤＣモータのブラシに相当するもので、回転子９，
１１の回転位置の検出を行う。

１４．１５で電機子を、１０．１７で位置検出部を構成
している。

本実施例で用いたＤＤモータは３差動対向型であり、ア
マチャ−マグネット９には軸方向に磁化さへ力っ着磁方
向の異なる永久磁石が複数組、円周方向に交互に配置さ
れている（図示せず）。

そのため、回転子９，１１の回転位置によって、アマチ
ャ−マグネット９を磁極とする磁束の流れ方向が異なる
。

電機子１４．１５もやはり、円周等角で複数組、固定板
１６上に配置されており、電機子コイル１４に流れる電
流と、アマチャ−マグネット９を磁極とする磁束により
、円周方向に駆動する力（駆動トルク）が発生する。

また位置検出部１７゜１０によって電機子１４，１５と
回転子９，１１の相互位置関係を検出して、電機子コイ
ル１４に流す電流の位相関係を電子的に制御している。

第３図にむいて、図イはマイクログループ面に発生する
圧力分布を示し、同口は潤滑流体が、スパイラルグルー
プのポンピング作用によって、圧送される方向が矢印で
示されている。

図ハはマイクログループ７の上面からの矢視図である。

さて、本装置の軸受構造は一端が基板に固定されたスト
レートの軸１と、その軸の先端部に軸径よりも、ずつと
径小に形成されたマイクログループ７と、さらに前記軸
１と係合された・・シリンダ３と、この２・・シリンダ
３を軸の下方向に吸引するＤＤモータより構成されてい
る。

マイクログループ７に形成されたスパイラル・グループ
の溝はハウジング端面４との間の相対的な回転によって
、潤滑流体を中心部に、第３図の矢印のごとく流入する
作用を有し、スパイラルグループのポンピング作用とく
さび効果によって圧力が発生する。

グループ径ｄが小さいため、発生圧力と、すき渣：δ２
の関係は第３図二のごとく鋭敏な特性となる。

マイクログループ７に発生する圧力はノ・シリンダ３を
矢印Ｂのごとく浮上させる作用を有する。

ところが、アマチャ−・マグネット９は前述したように
、磁化方向は異なるが、軸方向に磁化された複数組の磁
石により、常にコイル鉄芯１５に吸引する作用がある。

そのため、アマチャ−マグネット・マグネットケース１
１に固着したスリーブ１３および・・シリンダ３は常に
下方向（第２図に釦ける矢印Ｆ）に吸引されζ−その結
果、固定軸１の上端部に形成されたマイクログループ７
の正圧力と平衡して、・・シリンダ３が浮上状態で平衡
関係が成立する。

前記吸引力はマグネット９とコイル鉄芯１５の間のギャ
ップに逆比例するが、その変化の度合はマイクロ・グル
ープ７の「すき１・圧力特性」と比べて、はるかに鈍感
である。

例えば、後述する表１のパラメータにおけるマイクログ
ループの浮上刃はδ２＝４−５μ程度でＦ＝４００ｆ〜
５００Ｐ程、大幅に変化するにもかかわらず、マグネッ
ト９の吸引力は１００μ〜２００μで高々５０２程度変
化するだけである。

したがって、マイクログループ７のすき１の範囲ではマ
ギネット９の吸引カニＦはほとんど一定とみなしてよい
。

本装置の・・シリンダの絶対高さく第２図における寸法
：ｔ）はマイクログループ７に発生する圧カニｆと、マ
グネット９の吸引カニＦおよび・・シリンダの自重：Ｗ
の３つの力の平衡関係から決筐ることになる。

たとえば、ハウジングの自重：Ｗ＝２５０ｒ、マグネッ
トの吸引カニ Ｆ＝３５０ ｆである実施例において、
後述する第４図の特性を有するマイクログループを設け
たときの浮上量：δ２は次のようになる。

装置が正置状態においては、マイクログルーフ７と平衡
するカニｆ−Ｗ＋Ｆ＝６００１であり、このときの浮上
量：δ２＝０．８μとなる。

装置が水平状態のときは自重：Ｗの作用はなく、ｆ＝３
５０ ｆのみがマイクログループ７の圧力と平衡し、浮
上量：δ２＝１．２μとなる。

倒置状態においては、ｆ＝Ｆ−Ｗ＝１０ Ｏｆであり、
このときの浮上量：δ２＝２．２μであり、装置の姿勢
に関係なく、・・シリンダ３の絶対高さの変化を許容範
囲（例えば実施例にむけるＶＴＲシリンダではδく３μ
）内に収めることができた。

参考として、後述する第６図のＶＴＲシリンダ構造に本
発明を適用した場合のマイクロ・グループの実施例を示
す。

第４図は回転数：ω＝１８００ ｖｐｍ、潤滑油粘度：
η＝１５ｃｓｔおよび下記の表１のパラメータでもって
マイクログループを構成した場合の浮上量：δ２に対す
る負荷容量：Ｃ１の特性曲線である。

なチー、マイクログループの溝加工はグループのパター
ン（拡大原図）を、マイクロ縮写するフォト・エツチン
グ加工を用いて行った。

マイクログループの突出量：δ２は十分大きくてよく、
実施例ではδ２＝１００μとして、負荷トルクの軽減を
計った。

さて、本装置の効果を列記すると、下記の通りである。

（Ｉ） 装置の姿勢によらず、回転始動時低トルクで
ある。

通常の動圧型流体軸受においては静止状態において、油
膜圧力の発生はなくなるため、軸受面と、その相対移動
面は・・ウジングの自重によって密着状態となる（図示
せず）。

この密着状態になるのを防ぐ目的で、ピボット軸受を形
成しても、装置が倒置状態になれば、軸方向荷重を、ピ
ボット軸受のような点接触で支持することは困難である
。

通常、密着状態で回転始動する場合は大きな、駆動トル
クを必要とし、例えば、小型のダイレクト・ドライブモ
ータを内蔵したＶＴＲシリンダにち−いては始動時、ト
ルク不足で回転不能におちいる等のトラブルがあった。

本装置においては、マグネット９の十分大きな吸引カニ
Ｆによって、静止時に釦いては姿勢によらず、マイクロ
グループ７の軸受面と、その相対する面は密着状態とな
っている。

マイクログループＩの密着面積（むよび外径）は十分小
さく、回転負荷として影響を与えにくい回転中心部に、
僅少サイズ（例えば実施例に釦いては軸１径の３／８
）で形成されている。

そのため、極めて低トルクで回転始動ができる。

（ＩＮ）・・ウジング３の軸方向高さを、高精度に規制
出来る。

本装置の特徴の一つは「変位・圧力特性」の鋭敏な流体
軸受と、・・ウジング３の軸方向位置によって、大きさ
のほとんど変化しない吸引力を持つマグネットを組み合
わせたという点にある。

結局、浮上量：δ２は特性曲線（第３図二）において、
圧力発生の有効なすき１：△ｔの範囲で決定されること
になる。

△ｔはマイクログループと平衡する力で、最少となる条
件下における浮上量である。

・・ウジング３の絶対高さ：ｔの許容される精度を△ｔ
とすれば、浮上量：δ２が次の値になるようにマイク９
・スパイラルグループの形状・寸法を決定すればよい。

△ｔ〉δ２ （１式） また、装置組立時の調整も、本装置では極めて簡易であ
り、静止時に回転部の軸方向高さく例えば、基準面から
マイクログループ面１での高さ）さえ出してむけばよい
。

なぜならば、回転時には精度の許容寸法：△を以上に浮
上することはないからである。

（ＩＩＩ）非接触の状態で回転駆動できるため、摩耗が
少ない。

マイクログループ７の面に形成されたスパイラルグルー
プの溝によって、微少厚さの油膜面を形成させ、機械的
に非接触の状態で、回転駆動することができる。

そのため、本装置を長期使用後も、前述した機械的接触
部を有するピボット軸受（第１図）のような摩耗が少な
い。

回転の始動時、停止時に若干の直接接種の可能性が考え
られるが、マイクログループ７径が小さいために、周速
度も小さく、摩耗に対する影響は実質上、はとんど問題
にならない。

（ＩＶ）装置の構造・組立が簡単である。

軸にスラスト軸受のつばを形成して、つばの両面に圧力
を発生させ、・・ウジングを非接触の状態で回転駆動す
る軸受構造は従来からもあった。

（図示せず）しかし、この場合、つばを・・ウジング（
例えば第２図のハウジング３）に収納するために、軸受
構造は複雑化し、高い精度が要求される部品加工が必要
であった。

本装置は第１図のピボット軸受構造の特長を合わせ持つ
ことができる。

構造が簡易であり、また、・・ウジング３を固定軸１の
上端部から挿入するだけで装置の組立ができる。

また、必要ならば、装置組立後も、・・ウジング３を固
定部６から分離できる構造とすることもできる。

部品加工精度もマイクログループ７の面と相対面する回
転部３の面を除けば、スラスト軸受のつばを形成した場
合と比較して、つばを収納する・・ウジング内部の高精
度な加工、軸芯に対して高精度な垂直度が要求されるつ
ば面の加工等が不要であり、簡易にす１せることかでき
る。

さて、本発明の詳細な説明してきた軸受構造は固定軸１
の１わりをスリーブ（・・ウジング３）が回転するが、
勿論、固定されたスリーブに軸が回転する逆の構造の場
合でも、同様である（図示せず）。

通常、軸は剛性を必要とするために、マイクログループ
７よりも、ずっと径大である。

マイクログループ７は軸１の端面に形成してもよいし、
また、軸端面と向かい合う・・ウジング３の内面に形成
してもよい。

実施例で用いたマイクログループはスパイラル・グルー
プ（らせん溝）を用いているが、正圧力が発生するなら
ば、他のどのような形状でもよい。

例えば、第５図の口のような直線形状の軸受１３でも、
潤滑流体を、中心方向に圧送する作用があるため十分な
圧力発生の効果がある。

荷重が小さい場合は、第５図イのような放射状のミゾ形
状１２の軸受でも、円周方向ではすき昔がステップ状に
変化し、若干の負圧の発生はあるが、くさび油膜のせん
断圧力によって全体としては正荷重が得られる。

第６図に本発明の一実施例であるＶＴＲシリンダを参考
に示す。

１８は上部シリンダ、１９は上部シリンダ１８に装着し
たヘッド１９，２０は下部シリンダであり、下部ベース
６に固定されている。

２Ｌ２２はヘッド１９の信号を無接触で伝達するロータ
リートランスの回転側用と固定側用である。

２３は回転スリーブであり、上部シリンダ１８を装置の
上方向に着脱自在になるように固着して、本装置の回転
部を構成している。

２５は上部フタであり、潤滑流体漏洩防止のためのガス
ケット２６を介して、回転スリーブ２３に固着される。

本装置では、潤滑流体に、磁性潤滑流体を用いており、
ポジション・ロータ１７の下端部に設けられたフレキシ
ブル磁石２７による磁気シールによって潤滑流体の漏洩
を防止している。

本発明によって、装置の姿勢に関係なく、回転始動時低
トルクで、かつ、長期使用にトいても摩耗がなく、スラ
スト方向の正確な位置規制ができる流体軸受によるＶＴ
Ｒシリンダが実現できた。

本発明を用いて、様々な装置への応用、展開ができる。

例えば、高精度な回転性能が要求されるビデオ・ディス
ク、磁気ディスク、磁気ドラム等、様々な応用ができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のピボット（球面）軸受構造の基本構成図
、第２図は本発明の一実施例である回転装置の断面図、
第３図はマイクログループの基本原理を説明する図で、
イはマイクログループ面に発生する圧力分布を、口は潤
滑流体の圧送される方向を、ハはマイクログループと軸
の関係を、二は浮上刃と浮−Ｌ量の関係を示す。 第４図はマイクログループの特性図、第５図イ５口は、
他の実施例におけるマイクログループの形状を示す図、
第６図は本発明の具体的な実施例であるＶＴＲシリンダ
の正面断面図である。 １・・・軸、３・・・・・シリンダ、７・・・溝、９・
・・磁石。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端を密封側、他方を開口側とするハウジングと、
   このハウジングに嵌合する軸と、この軸と前記ハウジン
   グに相対的な回転駆動力を与えるモータと、前記軸と前
   記ハウジングの間に注入される潤滑流体と、前記軸の前
   記密封側の端面もしくは相対面する前記ハウジングの面
   に形成された前記軸より径小の突出部と、前記突出部の
   相対移動面に形成された円周方向で深さの変化する流体
   潤滑軸受のための溝とを有し、前記相対移動面間の間隙
   を軸方向に近接せしめるように磁石を配置した回転装置
   。 ２ モータの回転子あるいは同定部に設けられた磁石に
   よって、相対移動面間の間隙を近接せしめるように構成
   した特許請求の範囲第１項に記載の回転装置。 ３ 密封側の軸は開口側より径小か、もしくは同径とし
   た特許請求の範囲第１項に記載の回転装置。 ４ モータに面対向型ダイレクト・ドライブモータを用
   いた特許請求の範囲第１項に記載の回転装置。