(57)【要約】    【課題】  安価かつ簡単な構成で回転体（シャフト又はスリーブ）の回転軸方向の位置を保持し得る空気動圧軸受、及びブラシレスモータを提供する。    【解決手段】  上下の組のヘリングボーン溝５により発生される動圧が不均一となるのを放置したままの状態で、閉空間１０ａから外部に通じる空気の流路（空調孔１５）をシャフト１の中心部に形成することにより、上記動圧の不均一によって回転体（シャフト又はスリーブ）の回転軸方向の位置が変位するのを抑制する。【選択図】      図１
2006112591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成され、回転する該シャフト又はスリーブの軸方向の位置を一定に保持するスラスト磁気軸受が所定の閉空間内に形成された空気動圧軸受において、
前記閉空間から外部に通じる空気の流路を形成したことを特徴とする空気動圧軸受。
【請求項２】
前記空気の流路は、前記シャフトに形成された孔により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受。
【請求項３】
前記空気の流路は、前記閉空間を構成する壁であって前記シャフトと対向する壁に形成された孔により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の空気動圧軸受。
【請求項４】
シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成され、回転する該シャフト又はスリーブの軸方向の位置を一定に保持するスラスト磁気軸受が所定の密閉空間内に形成された空気動圧軸受において、
前記シャフトをラジアル方向に貫通する孔を形成したことを特徴とする空気動圧軸受。
【請求項５】
前記孔は、前記シャフトの軸方向に複数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の空気動圧軸受。
【請求項６】
シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成された空気動圧軸受において、
前記シャフトとスリーブとの間の隙間を該シャフトの軸方向に流れる空気流を発生させ、該空気流を該シャフトの端部に形成された密閉空間に流入させることによりスラスト空気軸受を構成したことを特徴とする空気動圧軸受。
【請求項７】
前記空気流は、前記シャフトの外周面又は前記スリーブの内周面に形成する複数組のへリングボーン溝の数、幅、長さを各組で一定にした上で、該へリングボーン溝の深さを各組で変化させることにより発生させることを特徴とする請求項６に記載の空気動圧軸受。
【請求項８】
前記空気流は、前記シャフトの外周面又は前記スリーブの内周面に形成する複数組のへリングボーン溝の数、深さを各組で一定にした上で、該へリングボーン溝の幅及び長さを各組で変化させることにより発生させることを特徴とする請求項６に記載の空気動圧軸受。
【請求項９】
前記空気流は、前記スリーブに形成された勾配により発生させることを特徴とする請求項６に記載の空気動圧軸受。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか１項に記載された空気動圧軸受を有するブラシレスモータ。
【請求項１１】
前記ブラシレスモータは、アウターロータ型のブラシレスモータであることを特徴とする請求項１０に記載のブラシレスモータ。
【請求項１２】
前記ブラシレスモータは、インナーロータ型のブラシレスモータであることを特徴とする請求項１０に記載のブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対的に回転するシャフトとスリーブとの間の隙間に空気による動圧を発生させて、非接触でシャフト又はスリーブを支持する空気動圧軸受、及び該空気動圧軸受を有するブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ポリゴンミラー用のブラシレスモータ等で使用される空気動圧軸受において、スラスト軸受としてとして、密閉空間内にスラスト磁気軸受が形成されたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この種の空気動圧軸受では、例えば図５に示したように、シャフト１及びロータ７と一体に形成されたロータマグネット８と、スリーブ２等と一体に形成されたステータ９との吸引力、反発力によりロータ７、シャフト１等を回転させている。この場合、シャフト１には、複数組のヘリングボーン溝５が形成され、これらヘリングボーン溝５に空気が流入して空気圧（動圧）が発生するので、シャフト１とスリーブ２とは非接触で相対的に回転する（ラジアル軸受）。
【０００４】
一方、シャフト１、スリーブ２の下方には密閉空間１０が形成され、その密閉空間１０において、シャフト１、スリーブ２の下部にそれぞれマグネット３，４が取り付けられ、これらマグネット３，４の磁力により、シャフト１を軸方向（アキシャル方向）の一定位置で保持している（スラスト磁気軸受）。
【特許文献１】特開平６−１４８５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シャフト１とスリーブ２の間の隙間は、ミクロンオーダーであり非常に狭いため、各組のヘリングボーン溝５の加工ばらつきにより動圧が不均一となり、軸方向への空気流が発生して密閉空間１０の空気圧を変動させるため、シャフト１、ロータ７等の回転体の軸方向の位置が変位してしまう。
【０００６】
例えば、図６（ａ）に示したように、スラスト板１１の方に流動する空気流Ａが発生した場合は、密閉空間１０の空気圧が高くなってシャフト１、ロータ７等が上昇し、図６（ｂ）に示したように、ロータ７の方に流動する空気流Ｂが発生した場合は、密閉空間１０の空気圧が低くなってシャフト１、ロータ７等が下降してしまう。なお、空気流Ａ，Ｂは、実際にはシャフト１とロータ７との間の隙間に流れるものである（図３の空気流Ｃも同様）。
【０００７】
そのため、従来は、ヘリングボーン溝５の加工精度を非常に高く設定しているが、その加工精度には限界がある。また、ヘリングボーン溝５の加工精度を向上させるためには加工時間を長く設定し、加工設備自体も高精度のものを使用する必要があり、コスト高となっていた。
【０００８】
また、スラスト磁気軸受では、シャフト１、スリーブ２にそれぞれにマグネット３，４を取り付けているので、コスト高になると共に重量も重くなり、さらに密閉空間１０の容積も大きく取る必要があり、小型化を図ることが困難であった。また、マグネット３，４の周辺部分に例えばロータ磁極の極性を検知する磁極センサ（ホール素子）を配置した場合、マグネット３，４の磁束が磁極センサに悪影響を及ぼす虞があり、マグネット３，４の周辺部分には非磁性の素材しか使用することができず、設計の自由度が小さくなっていた。さらに、回転体（図５の構造ではシャフト１）にマグネットを取り付けているため、マグネットが剥離する虞もあった。
【０００９】
そこで、本発明は、安価かつ簡単な構成で回転体の回転軸方向の位置を保持し得る空気動圧軸受、及びブラシレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成され、回転する該シャフト又はスリーブの軸方向の位置を一定に保持するスラスト磁気軸受が所定の閉空間内に形成された空気動圧軸受において、前記閉空間から外部に通じる空気の流路を形成している。
【００１１】
また、本発明は、シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成され、回転する該シャフト又はスリーブの軸方向の位置を一定に保持するスラスト磁気軸受が所定の密閉空間内に形成された空気動圧軸受において、前記シャフトをラジアル方向に貫通する孔を形成している。
【００１２】
また、本発明は、シャフトと該シャフトを囲うスリーブとによりラジアル軸受が形成された空気動圧軸受において、前記シャフトとスリーブとの間の隙間を該シャフトの軸方向に流れる空気流を発生させ、該空気流を該シャフトの端部に形成された密閉空間に流入させることによりスラスト空気軸受を構成している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、シャフトの軸方向で動圧が不均一となるのを放置したままの状態で、閉空間から外部に通じる空気の流路を形成することにより、動圧の不均一によって回転体の回転軸方向の位置が変位するのを抑制するようにしたので、安価かつ簡単な構成で回転体の回転軸方向の位置を保持し得る空気動圧軸受、及びブラシレスモータを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。なお、図１では、図５と同一の構成要素については同一の符号を付している（図２〜図４も同様）。
【００１６】
図１において、ロータ部は、シャフト１、ロータ７、ヨーク１２が一体に形成され、円筒状のヨーク１２の内周面には、複数のロータマグネット８が所定間隔で取り付けられている。真円棒状のシャフト１は、中空円筒状のスリーブ２に挿入されて該スリーブ２で囲まれ、シャフト１の外周面とスリーブ２の内周面との間には、ミクロンオーダーの隙間が形成されている。
【００１７】
このスリーブ２は、ハブ１３に固着され、ロータマグネット８と対向するハブ１３の高さ位置には、ステータコア９ａとステータコイル（駆動コイル）９ｂにより構成されたステータ９が嵌合されている。また、ハブ１３上のステータ９の下部位置には、ステータ９のステータコイル９ｂへの通電を制御してステータコア９ａの励磁状態を制御するための回路基板１４が取り付けられ、これらステータ９、ロータマグネット８、回路基板１４により、アウターロータ型のブラシレスモータを構成している。
【００１８】
シャフト１の外周面には、「ハ」の字型（分離形成型）の２組のヘリングボーン溝５が形成され、シャフト１の回転時に各組のヘリングボーン溝５に流入した空気が加速されて空気圧（動圧）が発生することにより、シャフト１は、スリーブ２と非接触状態で回転することとなる。すなわち、シャフト１の外周面とスリーブ２の内周面とでラジアル空気動圧軸受を構成している。
【００１９】
シャフト１、スリーブ２には、それぞれマグネット３，４が取り付けられ、これらマグネット３，４の磁力により、シャフト１とスリーブ２の軸方向の位置を一定に保持するようにしている。すなわち、マグネット３，４により、スラスト空気動圧軸受を構成している。
【００２０】
これらマグネット３，４が存在する閉空間１０ａは、従来は、マグネット４、ハブ１３、及びスラスト板１１で密閉された密閉空間１０となっていたが、第１の実施の形態では、図１に示したように、閉空間１０ａから外部に通じる空調孔１５をシャフト１、及びロータ７に形成している。
【００２１】
このように空調孔１５を形成した場合、図６（ａ）のような空気流Ａが発生した場合には、閉空間１０ａ内の空気は、空調孔１５を介して外部に流出し、図６（ｂ）のような空気流Ｂが発生した場合には、外部の空気が空調孔１５を介して閉空間１０ａに流入するので、閉空間１０ａ内の空気圧の変動を抑制することができ、ひいてはシャフト１、ロータ７等の軸方向の位置の変位を抑制することが可能となる（第２の実施の形態も同趣旨）。
【００２２】
図１のシャフト１、及びロータ７に形成された空調孔１５は、その径が非常に小さい真円の孔であり、シャフト１、及びロータ７の中心部を軸方向に貫通する細長い孔となっている。従って、空調孔１５に流入した空気は、細長い空調孔１５を高速で突き抜けていくこととなり、これによりシャフト１の軸触れを抑制することが可能となる。
【００２３】
なお、空調孔１５を形成することにより、閉空間１０ａの密閉性が多少損なわれるが、空調孔１５の方向は軸方向であり、ヘリングボーン溝５により発生される空気流の流動方向とは大きく異なっているため、スリーブ２に衝突する空気流（空気動圧）はほとんど変化せず、ラジアル動圧軸受としての機能を十分に維持することができる（第２の実施の形態も同趣旨）。
【００２４】
この空調孔１５の径は全長に亘って必ずしも一様である必要はなく、例えば、空気が流入／流出する部分、すなわち空調孔１５の両端部分ではある程度径を大きくことにより、空調孔１５へ空気が流入／流出する際の衝撃を緩和することも可能である。
【００２５】
なお、図示省略したが、シャフト１をラジアル方向に貫通する孔を、軸と垂直な方向に複数形成し、ヘリングボーン溝５により発生されてスリーブ２に衝突した空気流がこれら孔に流入するようにして、図６（ａ），（ｂ）に示したような空気流Ａ，Ｂそれ自体を低減することも可能である。
【００２６】
［第２の実施の形態］
図２（ａ），（ｂ）に示したように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態のようにシャフト１、ロータ７に空調孔１５を形成することなく、スラスト板１１に空調孔１６を形成することにより、図６（ａ），（ｂ）に示したような空気流Ａ，Ｂによるシャフト１、ロータ７等の回転体の軸方向の位置の変位を抑制するようにしている。
【００２７】
この空調孔１６も第１の実施の形態と同様にシャフト１の軸振れを防止するために、スラスト板１１の中心部、すなわち、シャフト１の中心と対向する位置に形成している（図２（ｂ）参照）。
【００２８】
なお、閉空間１０ａから外部に通じる空調孔を、ハブ１３に形成することも可能である。この場合は、シャフト１の軸振れを防止するため、ハブ１３の周面に等間隔で複数の空調孔を形成するのが望ましい。
【００２９】
このように、第１，第２の実施の形態では、ヘリングボーン溝５の加工精度を向上させるという高価かつ困難な手法で、動圧それ自体が軸方向で不均一となるのを抑制することによりシャフト１、ロータ７等の軸方向の位置の変位を抑制するのではなく、動圧が軸方向で不均一となるのを放置したままの状態で閉空間から外部に通じる空気の流路を形成するという安価かつ簡単に実現できる手法で、シャフト１、ロータ７等の軸方向の位置の変位を抑制するようにしている。
【００３０】
なお、第１，第２の実施の形態では、ヘリングボーン溝５の加工精度を低くすることも可能となり、この場合には、ヘリングボーン溝５の加工時間を短縮したり、その加工設備も加工精度の低い低価格のものを使用したりすることが可能となる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３〜第５の実施の形態に係る空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。
【００３２】
第３〜第５の実施の形態では、スラスト軸受を第１，第２の実施の形態のように、マグネット３，４を用いたスラスト磁気軸受として構成することなく、スラスト空気軸受として構成している。
【００３３】
すなわち、第３〜第５の実施の形態では、図３に示した矢印のように、シャフト１の回転により、スラスト板１１の方向に流動する空気流Ｃを意図的に作り出し、この空気流Ｃにより密閉空間１０ｂの空気圧を高めてシャフト１がスラスト板１１から浮き上がるようにして、非接触のスラスト空気軸受として機能させている。この場合、回転動作中のシャフト１の軸方向の位置は、密閉空間１０ｂ内の空気がシャフト１に与える空気圧による上昇力と、シャフト１の重力による下降力とが均衡する位置となる。
【００３４】
第３の実施の形態では、図３に示した空気流Ｃを図４（ａ）のような方法で作り出している。すなわち、図４（ａ）では、各段のヘリングボーン溝５の深さを変えることにより、空気流Ｃを作り出している。
【００３５】
具体的には、各組のヘリングボーン溝５の幅及び長さを一定にした上で、上段の組のヘリングボーン溝５を深くすることにより、上段の組のヘリングボーン溝５内の空気の量を多くし、下段の組のヘリングボーン溝５を浅くすることにより、ヘリングボーン溝５内の空気の量を少なくしている。これにより、上段の組のヘリングボーン溝５を流れる空気の流速が遅くなって空気圧（空気動圧）が大きくなり、下段の組のヘリングボーン溝５を流れる空気の流速が速くなって空気圧が小さくなるので、矢印方向の空気流Ｃが発生することとなる。
【００３６】
なお、図３に示した空気流Ｃを意図的に発生させたとしても、その空気流Ｃの発生状況（方向、流量、流速等）は、シャフト１等が定速で回転している限り一定であると考えられるので、定速回転中においては上記の均衡位置、すなわちシャフト１等の軸方向の位置が変位する可能性は殆ど無い。また、たとえシャフト１等の軸方向の位置が変位したとしても、その変位はシャフト１の重力により抑制されるので微小なものとなる（第４，第５の実施の形態も同趣旨）。
【００３７】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態では、図３に示した矢印方向の空気流Ｃを図４（ｂ）のような方法で作り出している。すなわち、図４（ｂ）では、各組のヘリングボーン溝５の溝以外の形状を変えることにより、矢印方向の空気流Ｃを作り出している。
【００３８】
具体的には、各組のヘリングボーン溝５の深さを一定にした上で、上段の組のヘリングボーン溝５の幅を広くすると共に長さを短くし、下段の組のヘリングボーン溝５の幅を狭くすると共に長さを長くすることにより、各組のヘリングボーン溝５内の空気の量が一定になるようにしている。
【００３９】
これにより、各組のヘリングボーン溝５内の空気の量が一定であるのに対し、ヘリングボーン溝５が空気流を加速する加速時間が上段の組よりも下段の組の方が長くなるので、それら各組のヘリングボーン溝５で生成される空気流の流速は上段の組よりも下段の組の方が速くなって、空気圧（空気動圧）は上段の組の方が下段の組よりも大きくなるので、図３に示した矢印方向の空気流Ｃが発生することとなる。
【００４０】
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態では、図３に示した矢印方向の空気流Ｃを図４（ｃ）のような方法で作り出している。すなわち、図４（ｃ）では、スリーブ２に勾配２ａを形成することにより、矢印方向の空気流Ｃを作り出している。この勾配２ａ  は、スリーブ２の内周面、すなわちシャフト１の外周面と対向する面に形成され、上段の組のヘリングボーン溝５と対向する位置から下段の組のヘリングボーン溝５と対向する位置に行くに従って、シャフト１との間の隙間が徐々に広くなるように形成されている。なお、第５の実施の形態では、各組のヘリングボーン溝５の形状は全く同様である。
【００４１】
これにより、シャフト１とスリーブ２との間の空気の流路が上方から下方に行くに従って徐々に広くなり、空気密度は上方から下方に行くに従って徐々に小さくなっていくので、図３に示した矢印方向の空気流Ｃが発生することとなる。
【００４２】
このように、第３〜第５の実施の形態では、スラスト軸受をスラスト磁気軸受として構成することなくスラスト空気軸受として構成したので、スラスト軸受用にマグネットを用いる必要がなくなり、密閉空間を小さくして小型化を図ると共に、軽量化を係ることが可能となる。また、密閉空間を小さくすることにより、この密閉空間のエアダンパーとしての機能が向上し、振動や衝撃によるシャフト１等の軸方向の位置の変動を抑制することが可能となる。さらに、部品点数及び組み立て工数を削減することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は、上記の第１〜第５の実施の形態に限定されることなく、例えば、駆動コイル（ステータ）がマグネットロータの外側に配設されたインナーロータ型のブラシレスモータ用の空気動圧軸受に適用することも可能である。
【００４４】
また、本発明は、スリーブが回転し、このスリーブにヘリングボーン溝が形成された空気動圧軸受に適用することも可能である。さらに、本発明は、「Ｖ」の字型（一体形成型）のヘリングボーン溝がシャフト、又はスリーブに形成された空気動圧軸受に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）は第２の実施の形態に係る空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。（ｂ）は第２の実施の形態に係る閉空間から外部への空気の流路が形成されたスラスト板を示す下面図である。
【図３】第３〜第５の実施の形態に係る空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。
【図４】（ａ）は第３の実施の形態に係る空気流の発生機構を説明するための図である。（ｂ）は第４の実施の形態に係る空気流の発生機構を説明するための図である。（ｃ）は第５の実施の形態に係る空気流の発生機構を説明するための図である。
【図５】従来の空気動圧軸受を適用したブラシレスモータの概略構成を示す断面図である。
【図６】（ａ）は従来の問題点を説明するための図である（シャフトの上方向への変位）。（ｂ）は従来の問題点を説明するための図である（シャフトの下方向への変位）。
【符号の説明】
【００４６】
１…シャフト
２…スリーブ
２ａ…スリーブの勾配
３，４…マグネット（スラスト軸受用）
５…ヘリングボーン溝
７…ロータ
８…ロータマグネット
９…ステータ
１０ａ…閉空間
１０ｂ…密閉空間
１１…スラスト板
１５…空調孔（シャフトに形成）
１６…空調孔（スラスト板に形成）
【図１】
2006112591.tif 000003
【図２】
2006112591.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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