(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する軸と、この軸に固定され、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝を少なくとも片面に有するスラスト板と、このスラスト板の表裏各面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板とで構成され、前記スラスト板において、前記動圧発生溝の内周部側と外周部側からそれぞれ前記動圧発生溝へ至る段差を設けて形成した前記動圧発生溝の開口部のうち少なくとも一方の開口部において、スラスト板の軸方向段差寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことを特徴とする動圧流体スラスト軸受装置。
【請求項２】
回転する軸と、この軸に固定され、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝を少なくとも片面に有するスラスト板と、このスラスト板の表裏各面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板とで構成され、前記スラスト板における前記動圧発生溝の内周側もしくは外周側に位置する非溝部のうち、少なくとも一方の非溝部に対する前記スリーブおよび止め板それぞれの対向位置に逃がし部を設け、前記逃がし部の軸方向段差寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことを特徴とする動圧流体スラスト軸受装置。
【請求項３】
回転する軸と、この軸に固定されたスラスト板と、このスラスト板の両面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板にそれぞれ設けられ、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝とから構成され、前記スリーブおよび止め板における前記動圧発生溝の内周側もしくは外周側の少なくとも一方に対する前記スラスト板の対向位置に段差部を設け、前記段差部の軸方向寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことを特徴とする動圧流体スラスト軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
近年、事務機器や民生機器に使われている各種モータでは小型化、高速化、高精度化等が要求されており、ラジアル軸受、スラスト軸受共に動圧発生溝を有する動圧流体軸受の必要性が高まっている。本発明は、高精度回転に最適な動圧流体スラスト軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下図面を参照しながら、従来の動圧流体スラスト軸受装置の一例について説明する。図６は従来の動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図である。図６において、１１は軸であり、両面に動圧発生溝１２を有するスラスト板１３が圧入等の方法で固定されている。この動圧発生溝１２の実際の形状は、図７に示すように円盤状のスラスト板１３の両面に設けられた、軸１１の回転方向Ａとは逆方向へ延びる略Ｖ字形状の溝である。１４はスリーブ、１５は止め板で、共に動圧発生溝１２に近接対向するよう構成してある。なお、止め板１５は図示しないネジ止めなどの方法でスリーブ１４へ固定されている。一方、軸１１の一部には動圧流体ラジアル軸受を形成するためにラジアル動圧発生溝１６が設けられ、ここと近接対向するようスリーブ１４にはラジアル突起部１７が設けられている。なお、動圧を発生するためのオイルはあえて図示していないが、スリーブ１４、止め板１５、スラスト板１３、軸１１で囲まれた空間に充満されている。
【０００３】
以上のように構成された従来の動圧流体スラスト軸受について、以下その動作を説明する。図６において、軸１１は図示しないモータ構成部品により矢印Ａ方向へ回転される。これにより動圧流体ラジアル軸受部では、軸１１に設けられたラジアル動圧発生溝１６により図示しないオイルがそのＶ型形状の中央部へかき集められることで動圧が発生し、軸１１はスリーブ１４に対しラジアル方向は非接触で回転することとなる。また動圧流体スラスト軸受部でも同様に、動圧発生溝１２が図７に示すような略Ｖ字状の溝形状であるため、図示しないオイルがそのＶ字状中央部へかき集められることで動圧が発生し、スラスト方向でも軸１１は、スリーブ１４、止め板１５に対し非接触で回転することとなる。なお、スラスト板１３の両面に動圧発生溝１２を設ける理由は、両面のスラスト方向の浮上量Ｂを確保するためである。具体的には片面の動圧発生溝１２で得られる浮上量よりも近接対向する浮上量Ｂを小さく設定することで、スラスト板１３が両面の動圧発生溝１２による動圧で挟み付けられ、両面の浮上高さが共にＢとなるよう規制されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような構成では、実際得られる浮上高さＢが確保できずかつ安定しないという課題が発生する。この原因を以下に説明する。軸１１が停止している時は、当然動圧が発生していないのでスラスト板１３はそれ自体の重量を含む回転体の重量により止め板１５に密着している。次にこの状態から軸１１が回転を始めると、止め板１５側の動圧発生溝１２がオイルをかき集めて浮上を始めようとするが、この時の浮上量に見合う量のオイルがスラスト板１３の外周部もしくは内周部から供給される必要がある。しかしながら実際には、スラスト板１３の最内周側と最外周側の非動圧溝部がオイル流入時の抵抗となるので、止め板１５側の動圧発生溝１２では十分な動圧が発生しない。具体的には、両面の浮上量Ｂを１０μｍで設計し、この浮上量Ｂに見合う動圧発生溝１２を形成していても、非動圧溝部の長さＣが５００μｍの時はオイルの流入抵抗が極めて大きくなり、実際の止め板１５側の浮上高さＢは４μｍ前後しか得られない。更にこの少ない浮上量Ｂは非動圧溝部の抵抗に起因するので、回転中に外部から振動を与えたり軸受の姿勢を逆向きにするなどの外乱を与えると、止め板側１５とスリーブ１４側浮上量Ｂが同じになったり、逆にスリーブ１４側の浮上量Ｂが小さくなったりするなど、浮上量Ｂが安定しないことが容易に想像できる。
【０００５】
この結果、このような課題を有する動圧流体スラスト軸受装置では、まず軸１１とスラスト板１３との取付の直角度が悪い時に、浮上量Ｂが小さい分コスレ易いので焼き付きを起こしやすいという問題があった。またスラスト動圧軸受の製造工程においても浮上量Ｂが安定していないので、浮上量Ｂの検査、確認工程自体に意味が無く、結果製造時の品質確保が困難となるという問題も有していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の第１の発明は、回転する軸と、この軸に固定され、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝を少なくとも片面に有するスラスト板と、このスラスト板の表裏各面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板とで構成され、前記スラスト板において、前記動圧発生溝の内周部側と外周部側からそれぞれ前記動圧発生溝へ至る段差を設けて形成した前記動圧発生溝の開口部のうち少なくとも一方の開口部において、スラスト板の軸方向段差寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことで、オイルが流入するときの抵抗を大幅に低減でき、浮上量の確保と安定化を実現する。
【０００７】
また本発明の第２の発明では、回転する軸と、この軸に固定され、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝を少なくとも片面に有するスラスト板と、このスラスト板の表裏各面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板とで構成され、前記スラスト板における前記動圧発生溝の内周側もしくは外周側に位置する非溝部のうち、少なくとも一方の非溝部に対する前記スリーブおよび止め板それぞれの対向位置に逃がし部を設け、前記逃がし部の軸方向段差寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたもので、オイルが流入するときの抵抗を大幅に低減でき、浮上高さの確保と安定化を実現できる。また本発明の第３の発明では、回転する軸と、この軸に固定されたスラスト板と、このスラスト板の両面にそれぞれ近接対向して設けたスリーブおよび止め板にそれぞれ設けられ、前記軸を中心とする同一円周上にその端部が位置し、オイルをかき集めて動圧を発生する複数の動圧発生溝とから構成され、前記スリーブおよび止め板における前記動圧発生溝の内周側もしくは外周側の少なくとも一方に対する前記スラスト板の対向位置に段差部を設け、前記段差部の軸方向寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたもので、オイルが流入するときの抵抗を大幅に低減でき、浮上高さの確保と安定化を実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施形態について図１を参照しながら説明する。図１は本実施形態における動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図である。図１において、１は軸であり、両面に動圧発生溝２を有するスラスト板３が圧入等の方法で固定されている。なお動圧発生溝２の実際の形状は、図７に示す従来例と全く同様であり、説明は省略する。４はスリーブ、５は止め板で、共に動圧発生溝２に近接対向する面を有して構成される。なお、止め板５は図示しないネジ止めなどの方法でスリーブ４へ固定されている。一方、軸１の一部には動圧流体ラジアル軸受を形成するためにラジアル動圧発生溝６が設けられ、ここと近接対向するようスリーブ４にはラジアル突起部７が設けられている。なお、動圧を発生するためのオイルはあえて図示していないが、従来例同様スリーブ４、止め板５、スラスト板３、軸１で囲まれた空間に充満されている。
【０００９】
以上のように構成された動圧流体スラスト軸受の動作は以下の通りである。軸１が図示しないモータ構成部品により矢印Ａ方向へ回転すると、ラジアル軸受部では軸１に設けられたラジアル動圧発生溝６により図示しないオイルがそのＶ字形状の中央部へかき集められることで動圧が発生し、軸１はスリーブ４に対しラジアル方向は非接触で回転することになる。またスラスト軸受部でも同様に、動圧発生溝２が略Ｖ溝形状であるため、図示しないオイルがＶ字形状の中央部へかき集められることで動圧が発生するので、スラスト方向でも軸１とスラスト板３はスリーブ４、止め板５に対し非接触で回転することとなる。なお、スラスト板３の両面に動圧発生溝２を設ける理由も従来例と全く同じであり、説明は省略する。
【００１０】
従来例と異なるのは、スラスト板３の非動圧溝部の半径方向長さＣを小さくした点であり、以下詳細に説明する。
【００１１】
従来例においては非動圧溝部の長さＣがオイルの流入時の抵抗となり、結果浮上量Ｂの確保と安定化に問題が生じると説明したが、この抵抗は小さいほど良いが０である必要はない。これは、非動圧溝部の有無に関わらずオイルは狭い動圧発生溝２の中を通るためで、目安としてはこの動圧発生溝２の面積に比べ小さい抵抗とすればよい。このことは非動圧溝部の長さＣは小さくする必要はあるが０とする必要はないことを示す。
【００１２】
更に現実的な問題としては、浮上量Ｂにスラスト板３の直角度やスラスト板３の軸１への取付誤差によるフレの影響、更には設計した浮上量Ｂに対して現実の浮上量Ｂをどの程度まで許容するかなどを考慮して決定する必要がある。
【００１３】
図２は設計での浮上量Ｂが１０μｍの動圧流体スラスト軸受装置を１２０００ｒｐｍで回転させるときの、実際に得られる浮上量Ｂが非動圧溝部長さＣによりどのように変化するかを実験、実測した結果を示すグラフである。図２において、上記したようにスラスト板３のフレ量を３μｍ、余裕を２倍と見積もると、最低でも浮上量Ｂは約６μｍが必要であり、結果として非動圧溝部の長さＣは０．２ｍｍ以下にすれば良いことになる。
【００１４】
一方ここで浮上量Ｂを小さく設計する場合を考えると、浮上量Ｂが小さくなること自体でオイルの流入抵抗は増えるので、非動圧溝部の長さＣが同じ０．２ｍｍのままでは結果としてオイルの抵抗が大きくなることは容易に理解できる。すなわち非動圧溝部の長さＣは０．２ｍｍという長さ自体に意味があるのではなく、浮上量Ｂと関連して決定される長さであり、単純には浮上量Ｂが半分ならＣも半分とすればよい。
【００１５】
以上から図２で示す非動圧溝部長さＣの０．２ｍｍは、浮上量１０μｍの２０倍と考えればよい。なお、本実施形態では、動圧発生溝２の内周側と外周側共に非動圧溝部の長さＣを浮上量Ｂの２０倍以下としたが、内周側、もしくは外周側のいずれか一方だけを浮上量の２０倍以下にしても良い。また当然のことながら、非動圧溝部の長さＣが０の時に浮上量Ｂは最も大きくかつ安定することになる。
【００１６】
以上の説明から明らかなように本実施形態では、非動圧溝部の長さＣを浮上量Ｂの２０倍以下とすることで実質的に十分な浮上量Ｂが得られるので、部品精度に起因するコスレが発生しない動圧流体スラスト軸受を実現でき、かつ浮上量検査を行うことで製造時の品質確保も可能となる。
【００１７】
以下本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。なお図３では、第１の実施形態の構成と同一機能部品には同一番号を付与し、構成とその動作の共通部分の説明は省略する。図３において、図１と異なる点はスラスト板３の両面に設けた動圧発生溝２の内周側と外周側に開口部Ｄを設けてある点にある。更にこの開口部Ｄの大きさは、開口部Ｄにおける軸方向段差寸法と動圧発生溝２の最内周または最外周の円周長との積で表される面積が、動圧発生溝２の深さＥと動圧発生溝２の最内周または最外周における溝２の周長、および動圧発生溝２の溝本数との積で表される面積より同等以上の大きさとなるよう設けてある。すなわち、動圧発生溝２を通るオイルの流路面積より大きい面積のオイル流路面積が、動圧発生溝２の内周側と外周側に設けた構成にしてある。
【００１８】
以上のように構成した動圧流体スラスト軸受装置の動作は、以下の通りである。動圧発生溝２の内周側と外周側から動圧発生溝２へ至る開口部Ｄでのオイル流入抵抗が、少なくとも動圧発生溝２の中を通るオイルの抵抗よりより小さく設けてあるので、第１の実施形態と同様にオイルの流入抵抗を十分小さくでき、十分な浮上量Ｂとその安定性が確保できることになる。なおこの開口部Ｄの大きさを、動圧発生溝２の深さＥと同等以上とすればより効果的であることは言うまでもない。
【００１９】
以上の説明から明らかなように本発明の第２の実施形態では、動圧発生溝２の内周側と外周側から動圧発生溝へ至る少なくとも一方の開口部を、その流路面積が、ここに接する動圧発生溝２の流路面積より大きくすることにより十分な浮上量Ｂが得られるので、部品精度に起因するコスレが発生しない動圧流体スラスト軸受を実現でき、かつ製造時も浮上量Ｂの検査を行うことで品質確保も可能となる。
【００２０】
次に本発明の第３の実施形態について図４を用いて説明する。なお図４でも、第１の実施形態と同一機能部品には同一番号を付与し、構成とその動作の共通部分の説明は省略する。図４において図１と異なる点は、動圧発生溝２の内周側と外周側の非動圧溝部の長さＣに対向するスリーブ４と止め板５に、逃がし部Ｆを設けてあることである。この逃がし部Ｆの軸方向寸法は、逃がし部Ｆの軸方向寸法と動圧発生溝２の内周側または外周側の円周長との積で表される面積が、動圧発生溝２の深さＥと動圧発生溝２の接する最内周または最外周の周長、および動圧発生溝２の溝本数との積で表される面積より同等以上の大きさとなるよう設けてある。このことにより逃がし部Ｆでのオイルの流入抵抗は、動圧発生溝２の中を通るオイルの流入抵抗より小さく構成されることになる。
【００２１】
以上のように構成した動圧流体スラスト軸受装置の動作は、内周側と外周側に設けた逃がし部Ｆを通るオイルの流入抵抗が、少なくとも動圧発生溝２の中を通るオイルの抵抗よりより小さく設けてあるので、十分な浮上量Ｂが確保できると共に、浮上量Ｂの安定化も可能となる。なお、逃がし部Ｆの大きさは深くしすぎても影響しないので、例えばスリーブ４を施盤で加工するときのバイトの逃げ形状と共用しても良い。
【００２２】
以上の説明から明らかなように本発明の第３の実施形態では、内周側もしくは外周側の少なくても一方の非動圧溝部の長さＣに対向するスリーブ４と止め板５に逃がし部Ｆを設けることにより、十分な浮上量Ｂとその安定性が得られるので、部品精度に起因するコスレが発生しない動圧流体スラスト軸受装置を実現でき、かつ製造時に浮上量Ｂを検査できるので品質確保も可能となる。
【００２３】
次に本発明の第４の実施形態について図５を用いて説明する。なお図５でも、第１の実施形態と同一機能部品には同一番号を付与し、構成とその動作の共通部分の説明は省略する。図５において図１と異なる点は、動圧発生溝２がスリーブ４と止め板５に設けられ、スラスト板３には動圧発生溝２より内周側と外周側に段差部Ｇが対向して設けられたことにある。この段差部Ｇの軸方向寸法は、段差部Ｇの軸方向段差寸法と動圧発生溝２の内周側または外周側の円周長との積で表される面積が、動圧発生溝２の深さＥと動圧発生溝２の最内周部または最外周部での周長、および動圧発生溝２の溝本数との積で表される面積より同等以上の大きさとなるよう設けてある。これにより段差部Ｇを通るオイルの流入抵抗は、動圧発生溝２の中を通るオイルの流入抵抗より小さくできる。なおこのような非回転側に動圧発生溝２を設けた構成自体は従来からある構造で、本実施形態ではこのような構成においても浮上量Ｂとその安定性を実現するものである。
【００２４】
以上のように構成した動圧流体スラスト軸受装置の動作は、以下の通りである。段差部Ｇによるオイルの流入面積は、動圧発生溝２の中を通るオイルの流路面積より大きく構成されているので、段差部Ｇでのオイルの流入抵抗が十分小さくでき、十分な浮上量Ｂが確保できると共に、その安定化も可能となる。
【００２５】
以上の説明から明らかなように本発明の第４の実施形態では、動圧発生溝２の内周側もしくは外周側の少なくとも一方に対向するスラスト板３に段差部Ｇを設けることにより、十分な浮上量Ｂが得られるので、部品精度に起因するコスレが発生しない動圧流体スラスト軸受装置を実現でき、かつ浮上量検査を行うことで製造時の品質確保も可能となる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の発明では、動圧発生溝の外周部と内周部側から動圧発生溝へ至る少なくとも一方の開口部のオイル流路面積を、ここに接する動圧発生溝のオイル流路面積より大きくすることで、浮上量の確保と安定化が可能な動圧流体スラスト軸受装置が実現できる。
【００２７】
また本発明の第２の発明では、動圧発生溝の外周側もしくは内周側の少なくとも一方の非動圧溝部に対向するスリーブと止め板に逃がし部を設け、前記逃がし部の軸方向段差寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことで、浮上量の確保と安定化が可能な動圧流体スラスト軸受装置が実現できる。
【００２８】
また本発明の第３の発明では、スリーブと止め板に動圧発生溝を有する構成において、スリーブと止め板の動圧発生溝の外周側もしくは内周側の少なくとも一方のスラスト板側の対向面に段差部を設け、前記段差部の軸方向寸法と前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部の円周長との積で表されるオイルの流路面積が、前記動圧発生溝の最内周部又は最外周部における前記動圧発生溝の周長と溝深さ及び溝本数との積で表されるオイルの流路面積より大なる構成としたことで、浮上高さの確保と安定化が可能な動圧流体スラスト軸受装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図
【図２】図１に示す動圧流体スラスト軸受装置の、非動圧溝部Ｃの長さと得られる浮上量の関係を示すグラフ
【図３】本発明の第２の実施形態における動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図
【図４】本発明の第３の実施形態における動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図
【図５】本発明の第４の実施形態における動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図
【図６】従来の動圧流体スラスト軸受装置の主要部断面図
【図７】スラスト板の斜視図
【符号の説明】
１    軸
２    動圧発生溝
３    スラスト板
４    スリーブ
５    止め板
Ｂ    浮上量
Ｃ    非動圧溝部の長さ
Ｄ    開口部
Ｅ    動圧発生溝の深さ
Ｆ    逃がし部
Ｇ    段差部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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