DE69116244T2

DE69116244T2 - Hydrodynamisches Lager

Info

Publication number: DE69116244T2
Application number: DE69116244T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Aiyoshizawa; Tatsuo Hinata; Yoichi Kanemitsu; Tadashi Kataoka; Yoshiyuki Maruta; Shunsuke Mimura; Mamoru Suzuki; Manabu Toshimitsu
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: DE69116244D1; EP0464596A1; JPH068647B2; EP0464596B1; US5322369A; JPH0460210A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein dynamisches Drucklager.
Ein Lager, wie beispielsweise ein Kugellager oder ähnliches, das auf der Basis einer Schmierung arbeitet, wurde bisher vorwiegend als Lager für Drehausrüstungen oder -geräte verwendet. Jedoch wird angenommen, daß es zu bevorzugen ist, daß ein pneumatisches, dynamisches Drucklager statt des Kugellagers verwendet wird, um die Drehpräzision und die Lebensdauer zu verbessern, da die Drehausrüstung bzw. -geräte mit einer hohen Drehzahl und auch mit einer hohen Präzision betrieben werden. Da jedoch bei einem herkömmlichen, dynamischen Pneumatiklager oder vor allem einem Schublager der Reibungswiderstand zwischen den Lagergliedern zur Zeit des Startens oder Anlaufens so groß ist, wird ein großes Startdrehmoment benötigt, was das Problem zur Folge hat, daß eine übermäßige Motorleistung erforderlich ist, daß die Lebensdauer des Lagers begrenzt ist auf Grund der Abnutzung zur Zeit des Startens oder Anlaufens, usw.
Patent Abstracts of Japan, Band 12, Nr. 342 (E-658) [3189] vom 14. September 1988 offenbart einen bürstenlosen Motor, der geeignet ist, einen schnellen und sicheren Start zu gestatten, und zwar selbst für einen Zustand unter schwerer Last. Die Schwingung oder Vibration eines piezoelektrischen Körpers wird verstärkt und synthetisiert durch Verwendung der Resonanzeigenschaften eines schwingenden Körpers oder Schwingkörpers, um eine umfangsmäßig wandernde Welle zu erzeugen, die koaxial ist mit einem festgelegten Mittelschaft, und zwar auf einer Oberfläche (Antriebsoberfläche), die in Kontakt steht mit einem Schublagerstück des schwingenden Körpers. Dadurch wird die Drehung des Schublagerstücks in die gleiche Richtung getrieben, wie die stationäre Drehrichtung des sich drehenden Körpers bzw. des Drehkörpers. In dem Zustand der anfänglichen Startperiode, in dem keine andere drehende Antriebskraft auf den Drehkörper ausgeübt wird, wird der Drehkörper, der mit dem Lagerstück über eine Schubgleitoberfläche in Kontakt steht, so angetrieben, daß er integral mit dem Schublagerstück durch die statische Reibung der Schubgleitoberfläche integral dreht, und zwar basierend auf einer Schublast, die die Anziehungskraft eines Rotormagneten auf ein Statorjoch umfaßt, und daher kann eine vorbestimmte Drehgeschwindigkeit oder Drehzahl in einer kurzen Zeitperiode erreicht werden. Ferner zeigt US-A-3,471,205 Quetschfilmlager einschließlich eines belastungserzeugenden Glieds, das vorzugsweise aus einem piezokeramischen Material gebildet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Somit sieht die vorliegende Erfindung ein dynamisches Drucklager vor, das in der Lage ist, den Reibungswiderstand zwischen den Lagergliedern zur Zeit des Starts oder Stopps zu minimieren, wodurch ein weiches Anlaufen oder Anhalten des dynamischen Drucklagers gewährleistet wird.
Um die oben genannten Probleme bei einem dynamischen Drucklager zu lösen, das sowohl mit einem Lagerglied auf der beweglichen Seite als auch mit einem Lagerglied auf der festen Seite ausgestattet ist und einen Rotor eines Motors drehbar lagert, und zwar durch Erzeugen eines dynamischen Strömungsmitteldrucks zwischen dem Lagerglied auf der beweglichen Seite und dem Lagerglied auf der festen Seite, umfaßt das Dynamikdrucklager Erregungsmittel zum Anlegen einer Hochfrequenzschwingung an das Lagerglied der festen Seite, und zwar mindstens zur Zeit des Startens bzw. Anlaufens und des Anhaltens des Rotors, und während des Stillstands des Rotors wird eine elektrische Leistung, die durch eine Trägheitsdrehung beim Stopp des Motors erzeugt wird, als Leistungsquelle für die Erregungsmittel verwendet.
Die Erregungsfrequenz der Erregungsmittel wird vorzugsweise so eingestellt, daß sie mit der Oberschwingung der Resonanzfrequenz des Lagerglieds auf der festen Seite des dynamischen Drucklagers zusammenfällt.
Ferner werden die Erregungsmittel vorzugsweise durch Laminieren eines piezoelektrischen Elements auf das Lagerglied der festen Seite und Anlegen einer Hochfrequenzspannung auf das piezoelektrische Element zur Erregung hergestellt.
Wenn das dynamische Drucklager, wie oben beschrieben, aufgebaut ist, und eine Hochfrequenzschwingung an das Lagerglied der festen Seite durch die Erregungsmittel angelegt wird, kommen das Lagerglied der festen Seite und das Lagerglied der beweglichen Seite augenblicklich bzw. momentan nur am Bauch-Teil in Kontakt miteinander, da eine Vielzahl von Bauch- und Knoten-Schwingungsgebieten auf dem Lagerglied der festen Seite erzeugt werden. Ferner kann eine Strömungsmittelmembran zwischen den Gliedern der festen und der beweglichen Seite durch einen sogenannten Quetsch- oder Squeeze-Effekt erzeugt werden. Daher werden die Lagerglieder praktisch vor einem Kontakt miteinander bewahrt und ein Reibungswiderstand wird minimiert.
Die oben genannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand verdeutlichender Beispiele gezeigt ist.
Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispiels, in dem ein dynamisches Drucklager der vorliegenden Erfindung auf einen Spindelmotor angewandt ist;
Fig. 2(a), (b) sind Darstellungen, die ein Schwingungsverhalten der Lagerplatte auf der Statorseite zeigt, wobei Fig. 2(a) eine Draufsicht auf die Lagerplatte ist und Fig. 2(b) eine Seitenschnittansicht derselben ist; und
Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht, die eine Lagerplatte mit darauf gestapelten piezoelektrischem Element zeigt, die als Erregungsmittel in dem dynamischen Drucklager der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 stellt einen Spindelmotor dar, der ein dynamisches Drucklager gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie gezeigt ist, ist der Spindelmotor mit einem Rotor 1 und einem Stator 2 ausgerüstet, wobei der Rotor 1 auf dem Stator 2 drehbar getragen ist mittels eines Radiallagers 3 und eines Schublagers 4. Das Radiallager 3 ist ein dynamisches Drucklager der Fischgratbauart und das Schublager 4 ist ein dynamisches Drucklager der Spiralnutbauart. Der Spindelmotor ist ein sogenannter Spindelmotor des äußeren Rotortyps, wobei der Rotor 1 auf dem Radiallager 3 und dem Schublager 4 bei Betätigung eines Motors 5 gedreht wird.
Ein piezoelektrisches Element 6, das als ein Betätiger für eine Hochfrequenzerregungseinrichtung funktioniert, ist auf einem unteren Teil des Stators 2 angebracht. Durch Anlegen einer Wechselspannung, die in einer Hochfrequenzoszillationsschaltung (nicht gezeigt) erzeugt wird, an das piezoelektrische Element 6, wird eine Hochfrequenzschwingung an den Stator 2 des Spindelmotors angelegt. Die Hochfrequenzerregung wird bewirkt durch Interlocking oder Koppeln mit einem Betrieb des Motors 5 durch seine Treiberschaltung (nicht gezeigt) und wird nur zur Zeit des Anlaufens oder Anhaltens des Motors 5 bewirkt.
Durch Erregen des Stators 2 wird eine Lagerplatte 4a auf der Statorseite des Schublagers 4 (des dynamischen Drucklagers der Spiralnutbauart) erregt. Die Erregung wird bei einer Resonanzfrequenz der Lagerplatte 4a auf der Statorseite ausgeführt.
Fig. 2(a), (b) zeigen ein Schwingungsverhalten der Lagerplatte 4a auf der Statorseite. Eine Schwingung mit einer Vielzahl von Bäuchen L und Knoten N kann erhalten werden, wie dargestellt ist, durch Erregen der Lagerplatte 4a auf der Statorseite. In diesem Fall kommen die Lagerplatte 4a der Statorseite und die Lagerplatte 4b der Rotorseite des Schublagers 4 nur an einem Bauchteil der Schwingung in Kontakt und die Lagerplatte 4b der Rotorseite und somit der Rotor 1 kommt fast zu einem Stillstand an einer Position, wo die Schwingungsamplitude maximal ist, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, und zwar auf Grund der Trägheit, die auf den Rotor 1 wirkt. Da die Schwingungsfrequenz hoch ist, normalerweise von einigen kHz bis einigen zig kHz, ist ein Kontakt zwischen der Lagerplatte 4a der Statorseite mit der Lagerplatte 4b der Rotorseite augenblicklich bzw. momentan und ferner kann eine Bildung einer Luftmembran gemäß einem sogenannten Quetsch- bzw. Squeeze-Effekt erwartet werden. Demgemäß werden die Lagerplatte 4a der Statorseite und die Lagerplatte 4b der Rotorseite praktisch vor einem Kontakt miteinander bewahrt und somit wird der Reibungswiderstand minimiert.
Daher kann der Spindelmotor durch Vorsehen von Hochfrequenzerregungsmitteln mit einem extrem kleinen Drehmoment aktiviert bzw. anlaufen gelassen werden, und eine Abnutzung zwischen der Lagerplatte 4a auf der Statorseite und der Lagerplatte 4b auf der Rotorseite zur Zeit der Aktivierung bzw. des Anlaufenlassens wird auch minimiert. Ferner wird eine Abnutzung auch dadurch minimiert, daß eine Hochfrequenzerregung zur Zeit des Anhaltens bewirkt wird. Durch Verwenden von elektrischer Leistung, die von dem Motor 5 auf Grund einer Trägheitsdrehung des Rotors 1 erzeugt wird, als Leistungsquelle für die Hochfrequenzschwingungschaltung zum Anlegen einer Hochfrequenzspannung an das piezoelektrische Element 6 zur Zeit des Anhaltens, kann die Hochfrequenzschaltung als eine einfache Schaltung konstruiert werden, die gleichzeitig als eine Dämpfungseinrichtung funktioniert.
Obwohl Fig. 1 den Fall als Beispiel darstellt, in dem das piezoelektrische Element 6 auf einer Unterseite des Stators 2, d. h. außerhalb des Spindelmotors angebracht ist, ist die Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Beispielweise zeigt Fig. 3, daß eine Erregung der Lagerplatte 10 zuverlässiger wird durch Stapeln einer Lagerplatte 10 und eines piezoelektrischen Elements 11 und daß eine Verbesserung des oben genannten Effekts durch Erregung ferner erwartet werden kann.
Obwohl die Erfindung in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auf ein Schublager der Spiralnutbauart angewandt ist, kann sie ferner auch auf andere dynamische Drucklager unterschiedlicher Bauart angewandt werden.
Zusätzlich umfaßt die vorliegende Erfindung das Anlegen einer Hochfrequenzschwingung an das dynamische Drucklager anhand von Erregungsmitteln, um das Startdrehmoment des dynamischen Drucklagers zu vermindern. Daher könnte die Lagerfestigkeit oder-starrheit verbessert werden durch Anlegen einer großen Vorlast auf das dynamische Drucklager, beispielsweise mittels einer Magnetkraft.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ferner, obwohl die Hochfrequenzerregung sowohl zur Zeit des Startens als auch des Anhaltens des Motors bewirkt wird, die Abnutzung des dynamischen Drucklagers wesentlich vermindert durch Anlegen der Hochfrequenzerregung entweder beim Starten oder beim Anhalten des Rotors.
Wie oben beschrieben wurde, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen erreicht:
(1) Durch Anlegen einer Hochfrequenzschwingung an das dynamische Drucklager anhand der Erregungsmittel werden das Lagerglied der festen Seite und das Lagerglied der beweglichen Seite praktisch vor einem Kontakt miteinander bewahrt und daher wird ein Reibungswiderstand zur Zeit des Startens und/oder Anhaltens eines Rotors minimiert.
(2) Wenn das dynamische Drucklager als ein Motorlager verwendet wird, könnte durch Verwendung von elektrischer Leistung, die durch die Trägheitsdrehung eines Rotors beim Anhalten des Motors erzeugt wird, als Leistungsquelle für die Erregungsmittel eine Hochfrequenzoszillationsschaltung für die Erregungsmittel als eine einfache Schaltung konstruiert werden, die gleichzeitig als Dämpfungseinrichtung funktioniert.
(3) Durch Anlegen einer großen Vorlast an das dynamische Drucklager, beispielsweise mittels einer Magnetkraft, kann die Lagerstarrheit oder -festigkeit verbessert werden.

Claims

1. Dynamisches Drucklager, das mit einem Lagerglied (4b) der beweglichen Seite und einem Lagerglied (4a) der festen Seite ausgerüstet ist und einen Rotor (1) eines Motors (5) drehbar lagert durch Erzeugen eines dynamischen Strömungsmitteldrucks zwischen dem Lagerglied (4b) der beweglichen Seite und dem Lagerglied (4a) der festen Seite, wobei das dynamische Drucklager Erregungsmittel (6, 11) aufweist zum Anlegen einer Hochfrequenzschwingung an das Lagerglied (4a) der festen Seite, und zwar mindestens zur Zeit des Anlaufens oder Anhaltens des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leistung, die durch Trägheitsdrehung des Rotors (1) beim Anhalten des Motors (5) erzeugt wird, als Leistungsquelle der Erregungsmittel (6, 11) verwendet wird.

2. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 1, wobei das Lagerglied (4b) der beweglichen Seite auf einem Stator getragen ist und die Erregungsmittel (6) auf dem Stator (2) vorgesehen sind.

3. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 1, wobei die Erregungsmittel (6) auf das Lagerglied (4a) der festen Seite gestapelt sind.

4. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei eine Erregungsfrequenz der Erregungsmittel (6) mit einer Oberschwingung der Resonanzfrequenz des Lagerglieds (4a) der festen Seite zusammenfällt.

5. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 4, wobei die Schwingungsfrequenz zwischen mehreren kHz und mehreren -zig kHz liegt.

6. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Erregungsmittel (6) ein piezoelektrisches Element (6) aufweisen, und wobei eine Hochfrequenzspannung zur Erregung daran angelegt wird.

7. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das dynamische Drucklager das Schublager (4) eines Motors ist.

8. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 7, wobei der Motor ein Spindelmotor ist.

9. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 8, wobei der Spindelmotor ein Spindelmotor mit äußerem Rotor ist, wobei der Rotor (1) auf einem Radiallager (3) und dem Schublager (4) getragen wird.

10. Dynamisches Drucklager gemäß Anspruch 7, wobei das Schublager (4) ein Spiralnutlager bzw. ein Lager mit Spiralnut ist.