JPH10292819A - 磁性流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速回転時のピボット軸受の潤滑を円滑に行
うことができ、摩擦抵抗を低減して高性能、高速化に対
応する。 【解決手段】 筒状の内孔の一端が閉塞されたハウジン
グ２の内孔に、開放端側から順に磁性流体が含浸された
多孔質ラジアル軸受５と、軸方向に着磁された永久磁石
３とを設け、内孔の閉塞端側に、磁性体からなる回転軸
のラジアル荷重とスラスト荷重とを支持可能な磁性体か
らなるピボット軸受４を永久磁石３に近接して設けた。
永久磁石３によりピボット軸受４が磁化され、その磁力
により磁性流体Ｆが引き寄せられてスラスト受面４ａを
潤滑する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば音響、映
像機器用のモータ、レーザービームプリンタのポリゴン
モータ、空調用ファンモータ、磁気ディスク回転用のス
ピンドルモータなどのように、高速回転と高精度が要求
されるモータに用いて好適な磁性流体軸受装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】上記のような用途に適した磁性流体軸受
装置としては、ハウジングの内孔の両端部に、磁性流体
を含浸した円筒状の多孔質軸受を装着するとともに、多
孔質軸受どうしの間に、内径寸法が多孔質軸受よりも大
径な円筒状の永久磁石を装着し、ハウジングの一端部
に、内孔を液密に閉塞する平板状のスラスト受板を取り
付けたものが提供されている。この磁性流体軸受装置で
は、回転軸のラジアル荷重を多孔質軸受で支持し、回転
軸のスラスト荷重をスラスト受板で支持するようになっ
ており、回転軸とスラスト受板との摩擦抵抗を小さくす
るために、回転軸の先端面が球面に形成される。また、
このような磁性流体軸受装置の内孔の開放端側の多孔質
軸受に隣接して、多孔質の磁性流体吸収体を配置した
り、さらに永久磁石のリングを併設したりすることによ
り、ハウジングの外部に磁性流体が飛散しないように工
夫したものも提案されている。

【０００３】上記のような磁性流体軸受装置では、永久
磁石により形成される磁界により、ラジアル荷重を受け
る多孔質軸受と回転軸との間に磁性流体が保持されるか
ら、その部分の潤滑は良好に行われる。しかしながら、
回転軸の先端がスラスト受板に点接触するため、回転軸
の芯振れが生じ易いという欠点があった。そこで、その
ような欠点を解消するものとして、特開昭６４−８３９
２０号では、スラスト受板を凹球面に形成することによ
り、回転軸と球面接触するピボット軸受に構成したもの
が提案されている。

【０００４】この提案に係る磁性流体軸受装置は、ハウ
ジングを非磁性の材料で構成するとともに回転軸を透磁
性の材料で構成している。また、ハウジングの内孔の一
端をピボット軸受で液密に閉塞するとともに、内孔の他
端に、ラジアル軸受を兼ねた永久磁石を装着することに
より、軸方向に沿った磁界が形成され、かつ、回転軸と
ラジアル軸受およびピボット軸受との間に磁性流体が封
入されるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の磁性流体軸受装置では、回転軸が高速回転するとピ
ボット軸受と回転軸との間の潤滑油（磁性流体）の量が
不充分となりがちであるために、さらなる改善が要望さ
れていた。よって、本発明は上記事情に鑑みてなされた
もので、高速回転であってもピボット軸受と回転軸との
間に充分な量の潤滑油を保持することができる磁性流体
軸受装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の磁性流体軸受
装置は、筒状の内孔の一端が閉塞されたハウジングの上
記内孔に、開放端側から順に磁性流体が含浸された多孔
質ラジアル軸受と、軸方向に着磁された永久磁石とを設
け、内孔の閉塞端側に、磁性体からなる回転軸のラジア
ル荷重とスラスト荷重とを支持可能な磁性体からなるピ
ボット軸受を永久磁石に近接して設けたことを特徴とし
ている。

【０００７】上記構成の磁性流体軸受装置にあっては、
回転軸が回転することにより、多孔質ラジアル軸受の気
孔中に含浸された磁性流体がポンプ作用により回転軸と
の摺動部に浸出して潤滑し、その後に気孔に戻るという
循環経路をたどる。また、永久磁石が発生する磁界によ
り磁性体である回転軸が軸方向に磁化され、回転軸の磁
石の作用により磁性流体が摺動部に引き寄せられるの
で、摺動部の潤滑がより良好になる。また、ハウジング
内の空間に磁性流体を充填する場合よりも磁性流体の使
用量を少なくすることができるのは勿論のこと、磁性流
体のハウジング外への漏出を防止することができる。

【０００８】ここで、ピボット軸受は、回転軸のスラス
ト荷重を支持するものであるが、多孔質ラジアル軸受の
配置によってはラジアル荷重も支持する。たとえば、多
孔質ラジアル軸受がピボット軸受のごく近傍にまで位置
している場合には、ピボット軸受にはラジアル荷重がほ
とんど作用しない場合があるが、多孔質ラジアル軸受を
ピボット軸受から離間させるに従ってピボット軸受に作
用するラジアル荷重が大きくなる。そして、このピボッ
ト軸受は磁性体で構成されているために、永久磁石が発
生する磁界により軸方向に磁化され、ピボット軸受の磁
石の作用により磁性流体を引き寄せる。よって、ピボッ
ト軸受と回転軸との摺動部（スラスト受面）に充分な磁
性流体が保持され、高速回転時でも充分な潤滑が行われ
る。

【０００９】ピボット軸受と永久磁石とは、軸方向に互
いにずらして配置しても良く、ピボット軸受を多孔質ラ
ジアル軸受の内孔に嵌合させることもできる。ピボット
軸受を永久磁石の内周側に配置すると、永久磁石の影響
が効果的に生じるので好適である。すなわち、ピボット
軸受がより強く磁化されるので、回転軸との摺動部に多
くの磁性流体を保持することができる。これと同じ理由
から、ピボット軸受は、強磁性体であることが望まし
く、たとえば、高密度または多孔質の鉄系焼結合金や、
溶製で製作された鋼材などで構成することができる。

【００１０】また、回転軸の先端面を凸球面に形成し、
ピボット軸受のスラスト受面を凹球面にすれば両者の加
工が容易である。この場合には、ピボット軸受の凹球面
の曲率半径を回転軸の凸球面の曲率半径よりも０．５〜
５０％程度大きく設定すると、回転軸の凸球面の中心が
ピボット軸受の凹球面の中心へと案内され、回転軸を確
実に位置決めすることができる。また、両者の隙間がく
さび状に形成されるので、毛細管現象によってそこに磁
性流体が集まり易くなる。よって、回転軸を起動する際
にはピボット軸受と回転軸との摺動部に既に磁性流体が
存在しているから、回転軸の起動トルクを大幅に低減す
ることができる。

【００１１】ピボット軸受のスラスト受面の形状は、凹
球面以外に種々の形状にすることができる。たとえば、
スラスト受面の中央部分を凹球面とし、外周側の部分を
テーパ状にすることもできる。また、スラスト受面全体
を回転軸側へ向けて拡開するテーパ状にし、凸球面また
はテーパ面を有する回転軸を支持するようにしても良
い。回転軸の先端面が凸球面であれば、スラスト受面の
中心線に対して回転軸が傾いた状態で組み立てられたと
しても、回転軸の凸球面の全周がスラスト受面に接触す
るから、スラスト受面に異常な負荷が加わることがな
い。さらに、スラスト受面を上記と同じ形状を有する凸
面に形成することもできる。なお、この場合には、回転
軸の先端面を凹面に形成する。

【００１２】回転軸の材質は磁性体であれば任意である
が、たとえば、焼入れ炭素鋼などの鋼鉄等の強磁性体で
構成すると好適である。これにより、回転軸がより強く
磁化されるので、多孔質ラジアル軸受との摺動部に多く
の磁性流体を保持することができる。また、回転軸がよ
り強く磁化されることにより、ピボット軸受と磁気的に
吸引し合う状態ができ、回転軸の芯振れを少なくすると
いう効果も得られる。

【００１３】次に、永久磁石は、円筒状のものが好適で
あるが、例えば棒状のものをハウジングの内孔の円周方
向に並べて配置することもでき、円筒状のものを円周方
向に複数に分割したものも使用することができる。好ま
しくは、円筒状の永久磁石をハウジングの内孔の閉塞端
側の底部に装着し、永久磁石の内孔にピボット軸受を嵌
合させるのが良い。永久磁石としてはフェライト磁石を
使用することもできるが、それよりも磁力が強いアルニ
コ磁石、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石等が好適である。好適な
磁石の特性は、最大エネルギー積（ＢＨｍａｘ）が５０
０ｋＪ／ｍ³以上、残留磁束密度（Ｂｒ）が１．２Ｔ以
上、保持力（Ｈｃ）が５０ｋＡ／ｍ以上である。そし
て、永久磁石を円筒状に構成することにより、軸中心部
分の磁束密度が高くなるから回転軸を磁化し易く、しか
も、永久磁石をピボット軸受に近接して配置しているの
でピボット軸受が強く磁化され、スラスト受面に充分な
量の磁性流体を効率よく集めることができる。

【００１４】また、ハウジングは、非磁性体と磁性体の
いずれでも良いが、磁性体で構成すればハウジングを磁
路に利用することができる。すなわち、後述するハウジ
ングや回転軸に設けるワッシャを磁性体で構成すること
により、永久磁石→ピボット軸受→回転軸→ワッシャ→
ハウジング→永久磁石とたどる磁気の閉回路が形成され
る。これにより回転軸が均一に磁化され、磁性流体を摺
動部（スラスト受面を含む）に引き寄せる効果が高ま
る。

【００１５】次に、多孔質ラジアル軸受が磁化すると気
孔内の磁性流体が保持されてしまうので、多孔質ラジア
ル軸受を非磁性体で構成するのが望ましく、中でも回転
軸となじみ性の良い青銅系焼結合金が好適である。ま
た、多孔質ラジアル軸受の気孔率は、１８〜２５％程度
が良い。また、多孔質ラジアル軸受を１つだけ使用する
場合には、摺動部の軸方向長さが短いと軸振れの原因に
なるので、回転軸の直径の１．５倍以上の長さであるこ
とが望ましい。なお、ハウジングの開放端側にも多孔質
ラジアル軸受を配置する場合には、回転軸を支持するス
パンが長くなるので多孔質ラジアル軸受の長さはもっと
短くても良い。この場合の多孔質ラジアル軸受の長さ
は、主として回転軸の面圧を考慮して設定する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を説明する。多孔質ラジアル軸受の内周面は、内孔の開
放端側へ向かうに従って内径が漸次大きくなるテーパ状
に形成すると好適である。このように構成することによ
り、多孔質ラジアル軸受と回転軸との間のクリアランス
がくさび状となり、毛細管現象により磁性流体がハウジ
ングの内孔の閉塞端側へ吸引される。これにより、磁性
流体のハウジングからの漏出が防止されるとともに、ピ
ボット軸受へ磁性流体が移動し易くなる。

【００１７】また、ハウジングの内孔の開放端側には、
回転軸の外周に対してクリアランスを有する外ワッシャ
を設け、回転軸に、上記内孔の内周に対してクリアラン
スを有する内ワッシャを、外ワッシャの閉塞端側にクリ
アランスを保って設けることができる。これらワッシャ
によりラビリンス構造が構成され、ハウジング内の磁性
流体の飛散が防止される。また、これらワッシャのうち
の一方又は両方を磁性体、好ましくは強磁性体で構成す
ることにより、上述したように、磁気の閉回路が形成さ
れ、回転軸の磁化の均一化という効果が得られる。さら
に、磁化したワッシャとハウジングまたは回転軸とのク
リアランスで磁性流体が捕捉されるので、磁性流体の漏
出がより効果的に防止される。この場合、内ワッシャを
磁性体で構成し、外ワッシャを非磁性体で構成すると、
外ワッシャが磁性流体を吸引することがないので、磁性
流体の漏出防止にさらに効果的である。

【００１８】回転軸の支持寸法が長い場合には、ハウジ
ングの内孔の開放端側に磁性流体が含浸された多孔質ラ
ジアル軸受をさらに設け、上記内孔または回転軸に、円
筒状の永久磁石およびワッシャの少なくともいずれか一
方を設けると良い。この場合、開放端側に設けられた多
孔質ラジアル軸受、永久磁石およびワッシャのいずれか
のうち最も閉塞端側にあるものと、これらよりも閉塞端
側に設けられた多孔質ラジアル軸受との間に、ハウジン
グの側壁を貫通する通気孔を設けると好適である。この
ような通気孔により、ハウジングの内孔の雰囲気圧力が
大気圧となるので、運転中に内孔の雰囲気圧力が高くな
って内孔の開放端側へ磁性流体を押し出すようなことが
なくなる。通気孔をハウジングの内孔の内部に突出する
パイプ状に構成することにより、磁性流体の通気孔から
の漏出を防止することができる。

【００１９】

【実施例】Ａ．第１実施例 以下、図１を参照して本発明の第１実施例を説明する。
図１は第１実施例の磁性流体軸受装置を示す縦断面図で
あり、回転軸１を回転自在に支持するように構成されて
いる。回転軸１は、焼入れされた炭素鋼で構成され、一
端面が球状に鏡面加工されたものである。図中符号２は
ハウジングであり、ハウジング２は、真鍮を切削加工し
て有底円筒状に形成したものであるが、パイプ材の一端
部を底部材で閉塞することによっても製作することがで
きる。ハウジング２の底部には、軸方向に着磁されたリ
ング状の永久磁石３が嵌合させられ、永久磁石３の内孔
には、ピボット軸受４が圧入されている。ピボット軸受
４は、高密度な鉄系焼結合金で構成された強磁性体であ
り、その端面は、回転軸１の端面の曲率半径よりも少し
曲率半径の大きい凹球面に形成され、これがスラスト受
面４ａとされている。これにより、ピボット軸受４と回
転軸１との間に、くさび状のクリアランスが生じるよう
になっている。

【００２０】また、ハウジング２の開放端側には、円筒
状をなす多孔質ラジアル軸受５が永久磁石３に隣接して
嵌合させられている。多孔質ラジアル軸受５は、青銅系
の多孔質焼結合金で構成され、その気孔中には磁性流体
Ｆが充填されている。また、回転軸１を装着する前に、
ピボット軸受４の端面には適量の磁性流体Ｆが滴下され
ており、ピボット軸受４と回転軸１とのクリアランスに
磁性流体Ｆが毛細管現象で保持されている。

【００２１】上記構成の磁性流体軸受装置においては、
永久磁石３の磁界により、ピボット軸受４と回転軸１が
軸方向に磁化される。そして、回転軸１が回転すると、
多孔質ラジアル軸受５内の磁性流体Ｆが回転軸１との摺
動部に浸出して潤滑する。また、ピボット軸受４が磁化
される結果、ピボット軸受４の磁力により磁性流体Ｆが
吸引され、スラスト受面４ａに供給される。よって、回
転軸１が高速で回転しても、スラスト受面４ａは磁性流
体Ｆによって充分に潤滑される。

【００２２】Ｂ．第２実施例 図２は本発明の第２実施例を示す図であり、多孔質ラジ
アル軸受５の内周面をテーパ面５ａに形成した点につい
てのみ前記第１実施例と異なっている。テーパ面５ａは
図２では誇張して記載しているが、テーパ面５ａの両端
部の内径寸法差は最大でも２０μｍ程度である。このよ
うな磁性流体軸受装置では、テーパ面５ａと回転軸１の
外周との隙間における毛細管現象により、磁性流体Ｆが
ハウジング２の閉塞端側へ吸引されるので、磁性流体Ｆ
の開放端側からの漏出、飛散を確実に防止することがで
きる。また、磁性流体Ｆがピボット軸受４側へ移動する
ので、スラスト受面４ａの潤滑がさらに良好となる。

【００２３】Ｃ．第３実施例 図３は本発明の第３実施例を示す図であり、ハウジング
の開放端に、内ワッシャ６ａと外ワッシャ６ｂを設けた
点が前記第１実施例と異なっている。内ワッシャ６ａ
は、回転軸１の外周に圧入された鉄合金で製作された磁
性体であり、ハウジング２の内周に対してクリアランス
が生じる外径とされている。また、外ワッシャ６ｂは、
ハウジング２の内周に圧入された合成樹脂製の非磁性体
であり、回転軸１の外周に対してクリアランスが生じる
内径とされている。

【００２４】上記構成の磁性流体軸受装置においては、
外ワッシャ６ｂおよび内ワッシャ６ａは回転軸１の抜け
止めとなっている。また、ハウジング２を鉄などの磁性
体で構成することにより、永久磁石４→回転軸１→内ワ
ッシャ６ａ→ハウジング１→永久磁石４とたどる磁気の
閉回路が形成される。これにより、回転軸１が均一に磁
化され、磁性流体Ｆを摺動部に引き寄せる効果が高ま
る。また、内ワッシャ６ａ側へ磁性流体Ｆが漏れた場合
であっても、内ワッシャ６ａと外ワッシャ６ｂとで構成
されるラビリンス構造のために、磁性流体Ｆが外部に飛
散するようなことがない。さらに、内ワッシャ６ａとハ
ウジング２とのクリアランスに磁性流体Ｆが磁気吸着さ
れるので、磁性流体Ｆが外部に漏出するようなことがな
く、しかも、回転軸１が軸方向へ移動して内、外ワッシ
ャ６ａ，６ｂどうしが接触したときに、クリアランスに
存在する磁性流体Ｆが両者を潤滑する。

【００２５】Ｄ．第４実施例 図４は本発明の第４実施例を示す図であり、ハウジング
の開放端に、前記第３実施例の外ワッシャ６ｂに代え
て、多孔質ラジアル軸受７を設けた点が第３実施例と異
なっている。多孔質ラジアル軸受７は、磁性流体Ｆが含
浸された青銅系焼結合金であり、ハウジング２の内周に
圧入されている。この磁性流体軸受装置によっても、多
孔質ラジアル軸受７と内ワッシャ６ａが回転軸１の抜け
止めとして作用する等、前記第３実施例と同等の作用、
効果を得ることができる。

【００２６】Ｅ．第５実施例 図５は本発明の第５実施例を示す図であり、第４実施例
の内ワッシャ６ａの内側に、軸方向に着磁された永久磁
石３ｂを隣接して配置し、ハウジング２の軸方向中間部
に通気孔８を設けたものである。永久磁石３ｂは、回転
軸１の外周に圧入され、通気孔８はハウジング２の内部
に突出するパイプにより構成されている。

【００２７】上記構成の磁性流体軸受装置においては、
開放端側の永久磁石３ｂが閉塞端側の永久磁石３の磁束
を補って回転軸１の磁化を均一化することにより、多孔
質ラジアル軸受７の気孔中の磁性流体Ｆを吸引する。こ
れにより、多孔質ラジアル軸受７と回転軸１および内ワ
ッシャ６ａとの摺動部に磁性流体Ｆを供給し、潤滑を円
滑にする。また、通気孔８によりハウジング２内の雰囲
気圧力が大気圧に保たれるため、構成部材の昇温や回転
に起因する内部圧力の上昇に伴う弊害を解消することが
できる。この実施例では、通気孔８がハウジング２の内
部に突出するパイプにより構成されているので、その付
近に磁性流体Ｆが流出してきた場合であっても、容易に
外部へ漏出しない。

【００２８】Ｆ．変更例 本発明は上記実施例に限定されるものではなく、以下の
ように種々の変更が可能である。 ハウジングの内孔の開放端に円筒状の永久磁石を嵌合
させ、永久磁石の内孔に磁性流体を含浸させた多孔質ラ
ジアル軸受を嵌合させることができる。 の構成において、永久磁石および多孔質ラジアル軸
受の内側に位置するワッシャを回転軸に設けることがで
きる。 ハウジングの内孔の開放端に、円筒状の永久磁石を挟
むようにして両側に磁性流体を含浸させた多孔質ラジア
ル軸受を配置することができる。 ハウジングの内孔の開放端に、磁性流体を含浸させた
多孔質ラジアル軸受を挟むようにして両側に円筒状の永
久磁石を配置することができる。 ハウジングの内孔の閉塞端側の永久磁石については、
前記各実施例のようなハウジングの底部の位置よりも開
放端側に位置させることができ、その永久磁石の内孔に
回転軸を挿通させ、ハウジングの内孔の閉塞端に配置し
たピボット軸受に付き当てることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の磁性流体軸
受装置においては、ピボット軸受の近傍に軸方向に着磁
した永久磁石を配置しているので、ピボット軸受のスラ
スト受面に充分な量の磁性流体が供給され、高速回転で
あっても良好な潤滑を得ることができ、高性能、高精度
が要求される機器に使用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の磁性流体軸受装置を示
す縦断面図である。

【図２】 本発明の第２実施例の磁性流体軸受装置を示
す縦断面図である。

【図３】 本発明の第３実施例の磁性流体軸受装置を示
す縦断面図である。

【図４】 本発明の第４実施例の磁性流体軸受装置を示
す縦断面図である。

【図５】 本発明の第５実施例の磁性流体軸受装置を示
す縦断面図である。

【符号の説明】

１…回転軸、２…ハウジング、３…永久磁石、４…ピボ
ット軸受、４ａ…スラスト受面、５…多孔質ラジアル軸
受、６ａ…内ワッシャ、６ｂ…外ワッシャ、７…多孔質
ラジアル軸受、Ｆ…磁性流体。

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【手続補正書】

【提出日】平成９年４月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状の内孔の一端が閉塞されたハウジン
   グの上記内孔に、開放端側から順に磁性流体が含浸され
   た多孔質ラジアル軸受と、軸方向に着磁された永久磁石
   とを設け、上記内孔の閉塞端側に、磁性体からなる回転
   軸のラジアル荷重とスラスト荷重とを支持可能な磁性体
   からなるピボット軸受を上記永久磁石に近接して設けた
   ことを特徴とする磁性流体軸受装置。
2. 【請求項２】 前記回転軸と前記ピボット軸受は強磁性
   体であり、上記ピボット軸受は円筒状をなす前記永久磁
   石の内周に嵌合させられていることを特徴とする請求項
   １に記載の磁性流体軸受装置。
3. 【請求項３】 前記多孔質ラジアル軸受の内周面は、前
   記内孔の開放端側へ向かうに従って内径が漸次大きくな
   るテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１
   または２に記載の磁性流体軸受装置。
4. 【請求項４】 前記内孔の開放端側に、前記回転軸の外
   周に対してクリアランスを有する外ワッシャを設け、上
   記回転軸に、上記内孔の内周に対してクリアランスを有
   する内ワッシャを、上記外ワッシャの閉塞端側にクリア
   ランスを保って設けたことを特徴とする請求項１〜３の
   いずれかに記載の磁性流体軸受装置。
5. 【請求項５】 前記外ワッシャまたは内ワッシャのうち
   のいずれか一方は強磁性体であり、他方が非磁性体であ
   ることを特徴とする請求項４に記載の磁性流体軸受装
   置。
6. 【請求項６】 前記内孔の開放端側に磁性流体が含浸さ
   れた多孔質ラジアル軸受をさらに設け、上記内孔または
   回転軸に、円筒状の永久磁石およびワッシャの少なくと
   もいずれか一方を設けたことを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載の磁性流体軸受装置。
7. 【請求項７】 前記開放端側に設けられた多孔質ラジア
   ル軸受、永久磁石およびワッシャのいずれかのうち最も
   前記閉塞端側にあるものと、これらよりも閉塞端側に設
   けられた前記多孔質ラジアル軸受との間に、前記ハウジ
   ングの側壁を貫通する通気孔を設けたことを特徴とする
   請求項４〜６のいずれかに記載の磁性流体軸受装置。