JPH04119219A - 動圧軸受け - 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、流体の動圧効果を利用して回転体の荷重を支
持する動圧軸受けに関する。

［従来の技術］ 一般に、動圧軸受けは回転体と、この回転体を回転可能
に支持する軸受は体とからなり、それらの各対向面の何
れか一方には動圧溝が形成されている。そして、回転体
が回転されると、前記動圧溝の作用に基づいて、回転体
と軸受は体との間に介在する作動流体に動圧が発生し、
この作動流体の圧力膜によって回転体が軸受は体に対し
非接触にて支持される。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に、動圧軸受けにおいては、使用する作動流体の特
性を配慮しつつ、支持すべき負荷の大、きさに応じて、
回転体及び軸受は体の寸法等が決定されている。それ故
、作動流体の粘性は軸受けの性能、特に負荷許容量に重
大な影響を及ぼす。

しかし、作動流体の粘性は温度によって影響される。そ
のため、作動流体として液状の潤滑剤等を使用した場合
、高速回転時に流体の粘性抵抗による発熱や外気温の影
響を受けて、負荷許容量が変動し、動圧軸受けが設計通
りの性能を発揮することができないという問題があった
。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的
は、相対回転可能な一対の部材間に介在される作動流体
の粘性を調節可能とすることにより、負荷許容量を調節
可能な動圧軸受けを提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］上記課題を解決
するために本発明は、相対回転可能な一対の部材の各対
向面の何れか一方に動圧溝が形成された動圧軸受けであ
って、 前記両対向面間には磁性流体が介在されると共に、これ
ら両対向面間に磁場を形成して磁性流体の粘性を制御す
る磁場形成手段が設けられている。

この軸受は構成によれば、磁性流体が作動流体として一
対の部材の各対向面間に介在されているため、これら一
対の部材が相対回転されると、前記動圧溝の作用に基づ
いて、磁性流体に動圧が発生し、一方の部材が他方の部
材に対し非接触にて支持される。

ここで、磁場形成手段によって、前記一対の部材の両対
向面間に磁場が形成されると、磁性流体がその影響を受
けると共に、磁場の大きさに応じて、磁性流体の粘性が
制御される。従って、両部材の相対回転に伴って、流体
の粘性抵抗に基づき磁性流体の温度が上昇し、粘度の低
下を来すような場合でも、磁場の大きさを調節して、磁
性流体の粘度を相対的に上昇させることにより、温度変
化にかかわらず、磁性流体の粘性を一定に保持して、軸
受けの負荷許容量を一定に保つことができる。

前記磁場形成手段は磁性材料と電磁コイルとの組合せか
らなることが好ましい。

この構成によれば、電磁コイルへの通電量に応じて、磁
界の大きさが調節される。更に、磁性材料との組合せと
することにより、より大きな磁場が形成される。

前記磁性流体としては、例えば、窒化鉄、酸化鉄等の磁
性粒子（粒径５０〜１５０人）をハイドロカーボン、ケ
ロシン、フッ素オイル、水等の分散媒体に分散したもの
があげられる。

［実施例］ 以下に、本発明をスラスト軸受けに具体化した一実施例
について、図面を参照して説明する。

第１図に示すように、スラスト軸受けｌの下端部には球
体支持部材２が設けられ、その上方には１３％クロム系
ステンレス鋼によって円板状に形成された下部対向部材
３が球体４を介して設けられている。この下部対向部材
３の周縁部下面には係合凹部（図示路）が設けられ、該
係合凹部に前記球体支持部材２の周縁部上面に突設され
たピン５の先端が係入することにより、下部対向部材４
の自由回転が規制されている。

スラスト軸受け１の上端部には軸支持部材６が配設され
、この軸支持部材６には回転軸７が回転可能に装着され
ている。この回転軸７の下端部には１３％クロム系ステ
ンレス鋼によって円板状に形成された上部対向部材８が
ボルト９によって固着されている。そして、この上部対
向部材８の下面は、前記下部対向部材３の上面に対して
平行に対向配置されている。

前記上下両対向部材３，８間には、炭化珪素焼結材料に
よって円板状に形成されたセラミックス板１０が介装さ
れている。第１，２図に示すように、このセラミックス
板１０の中心部には貫通孔１１が設けられている。更に
、セラミックス板ｌＯには、前記貫通孔１１の周囲にお
いて、その内周縁に連続したランド１２が所定幅にわた
って設けられている。また、セラミックス板１０の上下
各面において、前記ランド１２の外周縁からセラミック
ス板１０の外周縁にわたる領域にはスパイラル状の動圧
溝１３，１４（第２図では黒塗り部分）が複数形成され
ている。

尚、前記セラミックス板１０の上面に形成された動圧溝
１３は、回転軸７と共に上部対向部材８が特定方向（正
方向）へ回転された場合、その動圧溝１３の作用に基づ
いて、セラミックス板１０と上部対向部材８との間に介
在されている作動流体に動圧が発生するように、スパイ
ラルの向きが決定されている。一方、セラミックス板１
０の下面に形成された動圧溝１４は、セラミックス板１
０が前記特定方向と反対方向（逆方向）へ回転された場
合に、その動圧溝１４の作用に基づいて、セラミックス
板１０と下部対向部材３との間に介在されている作動流
体に動圧が発生するように、スパイラルの向きが決定さ
れている。

第１図に示すように、前記下部対向部材３の中心部には
留めピン１５が突設され、その先端がセラミックス板Ｉ
Ｏの貫通孔１１内に係入されている。そして、この留め
ピン１５と貫通孔１１との係合によって、セラミックス
板１０はその半径方向への移動を規制され、かつ、常に
この留めピン１５を中心として回転される。

また、前記下部対向部材３とセラミックス板ｌＯとの間
、及び上部対向部材８とセラミックス板ＩＯとの間の各
クリアランスには、窒化鉄微粒子をハイドロカーボンに
分散させてなる磁性流体りが充填されている。尚、この
ような磁性流体りは、外部磁場の影響を受けて磁化され
、磁化の増大と共に粘度も増大するという特性を有する
。

更に、前記下部対向部材３の下面側には複数の電磁コイ
ル１６が装着されると共に、前記上部対向部材８の上面
側には前記各電磁コイル１６にそれぞれ対応する複数の
マグネッ）１７が嵌着されている。尚、各電磁コイル１
６及びマグネット１７により、磁場形成手段が構成され
る。

さて、上述のように構成されたスラスト軸受けにおいて
、回転軸７に下向きの負荷（スラスト荷重）がかけられ
ると、下部対向部材３とセラミックス板１０との間、及
び、セラミックス板ｌＯと上部対向部材８との間に磁性
流体りを介在させた状態で、前記各部材３，８．１０が
互いに吸着される。

ここで、回転軸７が正方向へ回転されると、上部対向部
材８とセラミックス板１０との間の磁性流体りはその粘
性に基づき上部対向部材８の回転に伴って移動される。

この時、磁性流体りはセラミックス板ｌＯ上面の動圧溝
１３に案内されて次第に板１０の中心部へ誘導されるた
め、板ｌＯの中心部において上部対向部材８とセラミッ
クス板ＩＯとを離間させようとする動圧が発生する。こ
の動圧によって、回転軸７のスラスト荷重が支えられ、
回転軸７及び上部対向部材８がセラミックス板ＩＯと非
接触状態で回転される。尚、この時、セラミックス板Ｉ
Ｏと下部対向部材３との間には動圧が発生せず、セラミ
ックス板１０は下部対向部材３に吸着されている。

一方、回転軸７が逆方向へ回転されると、前述の場合と
は異なり、上部対向部材８とセラミックス板ｌＯとの間
には動圧が発生せず、セラミ・ソクス板ｌＯは上部対向
部材８に吸着された状態で同方向へ回転される。すると
、下部対向部材３とセラミックス板１０との間の磁性流
体りは、セラミックス板１０下面の動圧溝１４に案内さ
れて次第に板ｌＯの中心部へ誘導されるため、板１０の
中心部において下部対向部材３とセラミックス板ｌＯと
を離間させようとする動圧が発生する。この動圧によっ
て、回転軸７のスラスト荷重が支えられ、回転軸７、上
部対向部材８及びセラミ、ソクス板ｌＯが下部対向部材
３と非接触状態で回転される。この際、下部対向部材３
とセラミックス板１０とは離間されるが、留めピン１５
と貫通孔１１との係合によって、セラミックス板ｌＯは
上下両対向部材３，８の回転軸線に対して偏心すること
がない。

ところで、長時間にわたる回転軸７の回転に伴い、各部
材３，８．１０と磁性流体りとの粘性抵抗に基づき、磁
性流体りの温度が上昇して、粘度の絶対値の低下を来す
ことがある。このような場合に、前記各電磁コイル１６
の通電制御を開始して、各マグネット１７との間に磁場
を形成することにより、その磁界の大きさに応じて磁性
流体りが磁化され、磁性流体りの粘度が上昇される。そ
れ故、磁性流体りの温度上昇にかかわらず、各部材３，
８．１０間における磁性流体りの粘度が一定に保持され
、常に安定した動圧が発生される。

このように本実施例は、作動流体として磁性流体りを使
用すると共に、電磁コイル１６とマグネット１７とによ
って上下両対向部材３，８間に磁場を形成可能としたこ
とにより、磁性流体りの温度上昇に伴う粘度の低下にか
かわらず、磁性流体りの絶対粘度を上昇させて作動中の
粘度を一定に保持することができる。従って、軸受けと
して安定した性能を発揮することができる。また、前述
の磁場の大きさを適宜調節して磁性流体りの粘度を変化
させることにより、軸受けの負荷許容量を一定範囲で自
由に変更することができる。

また、回転軸７が正逆いずれの方向へ回転する場合でも
、そのスラスト荷重を動圧にて支えることができる。そ
れ故、このスラスト軸受け１を例えばモータ等に応用し
た場合に、結線ミスのために誤って回転軸７が本来の回
転方向と異なる方向へ回転される事態が生じても、スラ
スト荷重を動圧にて支えることができるため、軸受けを
構成する部材が過大な負荷を受けた状態で摩擦接触し、
焼き付いて破損するということがない。

尚、本実施例においては、マグネット１７を省略し、電
磁コイル１６のみによって磁場形成手段を構成してもよ
い。

［実施例２］ 本発明をラジアル軸受けに具体化した実施例について説
明する。

第３図に示すように、固定側であるスリーブ状のラジア
ル軸受は部材２１には、回転軸２２が回転可能に挿通さ
れている。この回転軸２２にはその中心軸線に沿って延
びる鉄芯２３が内蔵され、この回転軸２２の外周部には
、前記ラジアル軸受は部材２１の内周面に対し、所定の
間隔を隔てて対向するスリーブ状の対向部材２４が一体
回転可能に装着されている。

この対向部材２４の外周面上には、ヘリングボーン状の
動圧溝２５が形成されている。また、ラジアル軸受は部
材２１と対向部材２４との間のクリアランスには、前記
実施例１と同じ磁性流体りが満たされると共に、磁性流
体りはその表面張力によって、前記クリアランスから流
れ落ちることなく保持されている。そして、前記回転軸
２２が特定方向へ回転されると、前記動圧溝２５の作用
に基づいて磁性流体りは動圧を発生し、回転軸２２がラ
ジアル軸受は部材２１に対し非接触にて回転されると共
に、回転軸２２のラジアル方向への移動が規制される。

また、ラジアル軸受は部材２１の外周面上には、複数の
電磁コイル２６が配設されており、各電磁コイル２６へ
の通電によって、前記鉄芯２３と各電磁コイル２６との
間に磁場が形成される。

これにより、磁性流体りの粘度を変化させて、軸受けと
しての負荷許容量を調節することができる。

［実施例３］ 本発明をラジアル及びスラストの両方向を支持する軸受
けに具体化した実施例について説明する。

第４図に示すように、固定側であるリング状の軸受は部
材３１には、鉄製の回転軸３２が回転可能に挿通されて
いる。この回転軸３２の外周部には、前記軸受は部材３
１の内周面に対し５〜５０μｍの間隔を隔てて対向する
スリーブ状のラジアル対向部材３３が一体回転可能に装
着されている。

また、回転軸３２の外周部で前記ラジアル対向部材３３
の上下隣接位置には、前記軸受は部材３１の上下各面に
対し、それぞれ５〜５０μｍの間隔を隔てて対向する円
板状に形成された一対のスラスト対向部材３４が一体回
転可能に装着されている。

前記ラジアル対向部材３３の外周面上には、ヘリングボ
ーン状の動圧溝３５が形成され、前記両スラスト対向部
材３４の各対向面上には、それぞれスパイラル状の動圧
溝３６が形成されている。

また、前記軸受は部材３１と、ラジアル対向部材３３及
びスラスト対向部材３４との間のクリアランスには、前
記実施例１と同じ磁性流体りが満たされると共に、磁性
流体りはその表面張力によって保持されている。そして
、前記回転軸３２が特定方向へ回転されると、前記各動
圧溝３５，３６の作用に基づいて磁性流体りは動圧を発
生し、回転軸３２並びにラジアル及びスラスト対向部材
３３．３４が軸受は部材３１に対し非接触にて回転され
、回転軸３２のラジアル方向及びスラスト方向への移動
が規制される。

また、軸受は部材３１の外周部には、複数の電磁コイル
３７が配設されている。そして、各電磁コイル３７への
通電によって、前記鉄製の回転軸３２と各電磁コイル３
７との間に磁場が形成される。

これにより、磁性流体Ｌ′の粘度を変化させて、軸受け
としての負荷許容量を調節することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、相対回転可能な一
対の部材間に介在される作動流体の粘性を調節可能とす
ることにより、負荷許容量を調節可能な動圧軸受けを桓
供するこ９とがで□きるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した実施例１を示す断面図、第
２図は同じくセラミックス板の平面図、第３図は実施例
２を示す断面図、第４図は実施例３を示す断面図である
。 ３．８・・・下部及び上部対向部材、１０・・・セラミ
ックス板（３と１０．８とＩＯによりそれぞれ一対の部
材が構成される）、１３．　１．４．　２５．　３５．
３６・・・動圧溝、１６，２６，３７・・・電磁コイル
、１７，２３．３２・・・磁性材料としてのマグネット
、鉄芯、回転軸、２１・・・ラジアル軸受は部材、２４
・・・対向部材（２１と２４により一対の部材が構成さ
れる）、３１・・・軸受は部材、３３ラジアル対向部材
、３４・・・スラスト対向部材（３１と３３．３１と３
４によりそれぞれ一対の部材が構成される）、Ｌ・・・
磁性流体。 特許出願人　　イビデン　株式会社 代　理　人　　弁理士　恩田博宣（ほか１名）第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　相対回転可能な一対の部材（３、８、１０等）の各
   対向面の何れか一方に動圧溝（１３、１４等）が形成さ
   れた動圧軸受けであって、前記両対向面間には磁性流体
   （Ｌ）が介在されると共に、これら両対向面間に磁場を
   形成して磁性流体の粘性を制御する磁場形成手段（１６
   、１７等）が設けられていることを特徴とする動圧軸受
   け。 ２　前記磁場形成手段は磁性材料（１７等）と電磁コイ
   ル（１６等）との組合せからなることを特徴とする請求
   項１に記載の動圧軸受け。