JP2005351375A - 動圧軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受を提供する。
【解決手段】 軸受スリーブ３を焼結金属製で形成すると共に、軸受スリーブ３の内周に正回転時に動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ１および逆回転時に動圧作用を生じる動圧溝領域Ａ２を異なる形状で形成する。軸部材２の回転時には、軸部材２の外周２ａと軸受スリーブ３内周の動圧溝領域Ａ１，Ａ２との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で、軸部材２を正逆回転方向でラジアル方向に非接触支持する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、動圧軸受に関するものである。

動圧軸受は、高回転精度、高速回転、低コスト、低騒音等の特徴を有し、近年ではこれらの特徴を活かして、ＨＤＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク装置のスピンドルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、ＤＬＰ方式のビデオプロジェクタ、その他軸流ファン等の小型モータ用の軸受として広く使用されている。

この動圧軸受は、軸受スリーブの内周に軸部材を挿入し、軸受スリーブの内周と軸部材の外周との間のラジアル軸受隙間に動圧溝の動圧作用で流体圧力を発生させ、この圧力で軸部材を非接触支持するものである。

この動圧軸受において、動圧溝は軸受スリーブの内周あるいは軸部材の外周に形成されるが、特に軸受スリーブの内周に動圧溝を形成する場合、複雑な形状を有する動圧溝を精度良くかつ能率的に形成することは一般に難しい。従来では、軟質金属製の軸受スリーブの内周に特殊な治具を挿入して動圧溝を転造する方法が主流であり、その一例が特開２０００−３１２９４３号公報（特許文献１）に記載されている。
特開２０００−３１２９４３号公報

ところで、従来の動圧軸受は、軸部材の回転方向が一方向（正回転）に限定されているが、これを逆回転方向でも使用可能とすれば、動圧軸受の用途のさらなる拡大に有益である。

その一方、逆回転でも使用可能とするためには、正回転用の動圧溝とは別に、これとは逆向きに傾斜した動圧溝を新たに形成する必要がある。従来では、動圧溝を転造成形しているため、より複雑な形状となる正逆両回転用の動圧溝を成形することは困難で、上記要請に応えることは難しかった。仮に正逆両回転用の動圧溝を成形できたとしても、軸受スリーブがソリッドな金属材料で形成されている場合には、正回転時に逆回転用の動圧溝から負圧が発生するため、これがホワールの発生や油漏れの要因となるおそれがある。

そこで、本発明は、正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受を提供することを目的とする。

上記目的の達成のため、本発明では、内周に、複数の動圧溝を円周方向に配列した動圧溝領域を有する軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材とを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時に、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で軸部材をラジアル方向に非接触支持する動圧軸受において、軸受スリーブを焼結金属製とし、軸受スリーブの内周に正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域をそれぞれ形成すると共に、両動圧溝領域を異なる形状とし、かつこれら動圧溝領域を有する軸受スリーブの内周面を型成形された面とした。

動圧溝領域は、正回転もしくは逆回転時に、回転方向に応じて動圧作用を生じる部分であり、少なくとも動圧溝と、隣接する動圧溝間の背の部分とを含む領域で構成される。正回転時の動圧溝領域と逆回転時の動圧溝領域は、それぞれ独立分離して形成する他（図１参照）、その少なくとも一部を重複させた形で形成することもできる（図５、図６参照）。

このように軸受スリーブを焼結金属製とすれば、動圧溝領域は、これに対応する凹凸形状を有する溝型を軸受スリーブの内周に配置し、軸受スリーブに圧迫力を付与して軸受スリーブの内周面を溝型に押し付けることにより形成することができる。この場合、軸受スリーブの内周面が塑性変形を起こして溝型の凹凸形状が軸受スリーブの内周面に転写されるため、当該内周面に型成形した動圧溝領域が形成される。この型成形であれば、正回転時と逆回転時の二種類の動圧溝領域を備えた複雑形状の軸受スリーブ内周面を精度良く、かつ能率的に成形することができ、正逆両回転方向に使用可能の動圧軸受が提供可能となる。また、正回転時に逆回転用の動圧溝で負圧が発生した際にも、軸受スリーブ内部から表面開孔を通じてラジアル軸受隙間に油が滲み出でるため、負圧を低減しあるいは相殺することができる。このとき、軸受スリーブの内周面、特に正逆両回転用の動圧溝領域の表面開孔率は２〜２０％の範囲に設定するのが望ましい。２％を下回ると負圧の低減効果が不十分となり、２０％を越えると十分な動圧作用が得られないからである。

特に本発明のように、正回転時の動圧溝領域と逆回転時の動圧溝領域とを異なる形状とした場合、動圧作用で生じる流体の圧力が正回転時および逆回転時で異なる大きさになる。従って、正逆回転のうち、何れか一方の回転時に流体圧力を高めることも可能となり、モータで駆動対象を上下運動させる機構（例えばパワーウィンド機構）のように、駆動対象を上昇させる時に高いモータトルクを要し、下降させる時にこれよりも低いモータトルクで足りる場合にも、当該モータの回転軸を支持する軸受として使用することが可能となる。

なお、ここでいう「異なる形状」とは、正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域の形状が鏡像関係にないことを意味する。両動圧溝領域の一部又は全部が重複している場合、異なる形状であるか否かは、正回転時に動圧溝領域になる部分と、逆回転時に動圧溝領域になる部分とが鏡像関係にあるか否かで判断される。

正回転時と逆回転時の各動圧溝領域は、その軸方向位置をずらして配置する他、その軸方向位置を同じにして配置することができる。

上記例示したモータ（例えばパワーウィンドモータ）に本発明を適用する場合、上記軸部材をモータの回転軸として使用することができる。

以上から、本発明によれば、正逆両回転を支持することができ、しかも両回転方向で軸受性能の異なる動圧軸受を低コストに得ることができ、動圧軸受のさらなる用途拡大に寄与することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図２に示すように本発明にかかる動圧軸受１は、軸部材２と、軸部材２を内周に挿入した円筒状の軸受スリーブ３とを主要構成要素とする。

軸部材２はステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸受スリーブ３の内周と対向する外周面２ａは平滑な円筒面状に形成される。軸受スリーブ３は、焼結金属、例えば銅あるいは鉄、もしくは双方を主成分とする焼結金属に潤滑油（又は潤滑グリース）を含浸させた含油焼結金属で形成される。軸受スリーブの内周面には、図１に示すように、複数の動圧溝４を円周方向に配列した動圧溝領域Ａ１，Ａ２が軸方向の複数箇所（図示例では４箇所）に形成される。

各動圧溝領域Ａ１，Ａ２は、回転方向に応じて動圧作用を生じる領域であり、軸方向に対して傾斜し、円周方向の複数箇所に配列された動圧溝４と、隣接する動圧溝４の間に形成された背の部分６とを少なくとも含む。図１は、この動圧溝領域の一例として、いわゆるヘリングボーン形を例示している。但し、この配列は例示にすぎず、これ以外の形状の動圧溝領域を形成することもできる。

図１では、軸方向で隣り合う動圧溝４間に背の部分６と同じ高さの環状の平滑部５を設け、この平滑部５で区画することにより、軸方向で隣り合う動圧溝４同士を非連続とした非連続タイプの動圧溝領域Ａ１，Ａ２を例示している。この非連続型では、動圧溝４と背の部分６の他、平滑部５も動圧溝領域Ａ１，Ａ２の構成要素となる。この他、平滑部５を廃し、軸方向で隣り合う動圧溝４同士を連続させた連続型の動圧溝領域Ａ１，Ａ２を使用することもできる。

本発明では、動圧溝領域Ａ１，Ａ２として、正回転時に動圧作用を生じる領域Ａ１（正回転時の動圧溝領域）と逆回転時に動圧作用を生じる領域Ａ２（逆回転時の動圧溝領域）の二種類が設けられ、この点が正回転時の動圧溝領域Ａ１のみを有する従来品（図７参照）と異なる点となる。正回転時の動圧溝領域Ａ１の動圧溝４（以下、正回転用の動圧溝４１と表す）は正回転方向に縮小した部分を備え、逆回転時の動圧溝領域Ａ２の動圧溝４（以下、逆回転用の動圧溝４２と表す）は逆回転方向に縮小した部分を備える。本発明において、正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２とは、鏡像関係にない異なる形状である。この実施形態では、正回転用の動圧溝４１の数を逆回転用の動圧溝４２よりも多くすることにより、両領域Ａ１，Ａ２の形状を異ならせている。

この動圧軸受において、軸部材２と軸受スリーブ３のうち、一方（例えば軸受スリーブ３）を固定して他方（例えば軸部材２）を正方向に回転すると、動圧溝４１で生じた動圧作用により、正回転時の動圧溝領域Ａ１とこれに対向する軸部材２の外周面２ａとの間のラジアル軸受隙間に油等の潤滑流体の圧力が発生し、この圧力によって軸部材２と軸受スリーブ３とが非接触に保持される。逆方向に回転させた場合も同様に、動圧溝４２で生じた動圧作用により、逆回転時の動圧溝領域Ａ２とこれに対向する軸部材２の外周面２ａとの間のラジアル軸受隙間に潤滑流体の圧力が発生し、この圧力によって軸部材２と軸受スリーブ３とが非接触に保持される。そのため、一つの動圧軸受１で正逆両方向の回転を支持することが可能となる。

図示のように正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２の軸方向位置をずらし、それぞれ独立して形成した場合、何れかの方向の回転時における二種類の動圧溝領域Ａ１，Ａ２での動圧作用の相互干渉を抑制できるという利点が得られる。

この軸受スリーブ３内周の動圧溝領域Ａ１，Ａ２は、型成形で形成することができる。図３は、この型成形工程の一例を示すものである。この工程は、図示のように、円筒状の焼結金属素材３’の内周に、軸受スリーブ３の内周面形状に対応する形状の溝型１１ａを外周面に形成したコアロッド１１を挿入した状態で、軸受スリーブ３をその軸方向両端面をパンチ１２ａ，１２ｂで拘束してダイス１３に押し入れることにより行われる。ダイス１２内では焼結金属素材３’にパンチ１２ａ，１２ｂおよびダイス１２から圧迫力が付与され、その内周面がコアロッド１１の溝型１１ａに押し付けられる。これにより、焼結金属素材３'の内周面が塑性変形を起こして溝型１１ａの凹凸形状が転写され、各動圧溝領域Ａ１，Ａ２が型成形される。この際、動圧溝領域Ａ１，Ａ２の動圧溝４、背の部分６、さらには平滑部５は溝型１１ａの凹凸によって同時成形される。

成形終了後に焼結金属素材３’をダイス１３から取り出すと、素材３’のスプリングバックによってその内周面が拡径するため、溝型１１ａと成形後の動圧溝領域Ａ１，Ａ２とを干渉させることなく、スムーズに焼結金属素材３’を脱型することができる。脱型した焼結金属素材３’に真空含浸等の手段で潤滑油を含浸させることにより、軸受スリーブ３が得られる。

特に本発明では、正逆両回転時の動圧溝領域Ａ１，Ａ２を異なる形状にしているので、正逆両回転方向で異なる軸受性能が求められる場合にも対応することができる。例えば図１に示す実施形態のように、正回転時の動圧溝領域Ａ１における動圧溝４１の数を、逆回転時の動圧溝領域Ａ２における動圧溝４２の数よりも多くすれば、動圧作用で生じる流体の圧力は正回転時の方が大きくなるので、正回転時により高面圧を受ける軸部材２を支持することができる。

図４は、自動車等の車両に装備されるパワーウィンド機構の概略構成を示すものである。図示のように、この機構では、モータ１６の駆動力が軸部材２を介してウォームギヤ１７、さらにはこれに噛み合うギヤ１８に伝達される。ギヤ１８の正逆回転により、図示しないリンクを介してウィンドウが昇降する。従来のパワーウィンドウ機構では、ハウジング１５と軸部材２との間に介在させた転がり軸受で軸部材２の回転を支持していたが、転がり軸受はコスト高であると共に、スペースも嵩む傾向にある。転がり軸受に代えて上記動圧軸受１を使用することにより、低コスト化、および機構のコンパクト化を達成することができる。

上述のように、本発明の動圧軸受１は軸部材２の正逆回転を支持することができ、しかも正回転時にはより高面圧を支持することができる。パワーウィンド機構では、重力の関係でウィンドウが上昇する際にその下降時よりも軸部材２がより高面圧で駆動される。従って、各動圧軸受１の正回転方向をウィンドウ上昇時の軸部材２の回転方向と一致させることにより、ウィンドウの上昇・下降を問わず軸部材２を確実に非接触支持することができ、ウィンドウを安定して上昇・下降させることが可能となる。

以下、図５および図６に基いて、本発明の他の実施形態を説明する。

図５に示す実施形態は、図１に示す実施形態において、正回転用の動圧溝領域Ａ１を、軸受スリーブ３の内周面を円周方向等ピッチに分割してできる一部領域であって、円周方向に離隔した複数（望ましくは三以上）の領域に形成したものである。逆回転用の動圧溝領域Ａ２も同様の態様で配置されているが、その円周方向の位相は正回転用の動圧溝領域Ａ１とずらしている。両動圧溝領域Ａ１，Ａ２の円周方向両端では、軸方向で対向する背の部分を共通化している（共通化した背の部分を符号６’で示す）。図１に示す実施形態と同様に、正回転時の動圧溝領域Ａ１と逆回転時の動圧溝領域Ａ２とは異なる形状であり、具体的には正回転時の動圧溝領域Ａ１における動圧溝４１の数は、逆回転時の動圧溝領域Ａ２における動圧溝４２の数よりも多い。従って、図１の実施形態と同様に、正回転時にラジアル軸受隙間で生じる流体の圧力を逆回転時よりも大きくすることができ、図１に示す実施形態と同様の効果が得られる。

図１および図５に示す実施形態は、正回転時における動圧溝領域Ａ１と逆回転時における動圧溝領域Ａ２との軸方向位置をずらしたものであるのに対し、図６に示す実施形態は、隣接する両動圧溝領域Ａ１，Ａ２をその軸方向位置を一致させて配置することにより、両動圧溝領域Ａ１，Ａ２を完全に重複させたものである。重複した動圧溝領域Ａ１，Ａ２は、軸受スリーブ３内周面の軸方向両端に設けられている。この場合、図１や図５に示す実施形態に比べて、同種の動圧溝領域間の軸方向ピッチＰが増すため、軸受のモーメント剛性をより高めることができる。

この動圧溝領域Ａ１，Ａ２では、正回転用の動圧溝４１と逆回転用の動圧溝４１とが同一円周上に配列されている。動圧溝４１、正回転用の背の部分６１、および平滑部５で形成される正回転時の動圧溝領域Ａ１と、動圧溝４２、逆回転用の背の部分６２、および平滑部５で形成される逆回転時の動圧溝領域Ａ２とは、鏡像関係にない異なる形状であり、具体的には正回転用の動圧溝４１の数が逆回転用の動圧溝４１の数よりも多くなっている。従って図１に示す実施形態と同様に、正回転時に発生する圧力を逆回転時よりも高めることができる。特に本実施形態では、動圧溝領域の形成スペースに制限があり、正回転時と逆回転時の動圧溝領域を独立して形成できない場合でも、回転方向に応じて発生する圧力を調整することができるという利点を有する。

本発明の第一の実施形態を示すもので、軸受スリーブの断面図である。 図１に示す軸受スリーブを使用した動圧軸受の断面図である。 動圧溝領域の成形工程を示す断面図である。 図２に示す動圧軸受を使用したパワーウィンドウ機構の断面図である。 本発明の第二の実施形態を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態を示す断面図である。 従来の動圧溝領域の形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受
２ 軸部材
２ａ 外周面
３ 軸受スリーブ
４ 動圧溝
４１ 正回転用の動圧溝
４２ 逆回転用の動圧溝
５ 平滑部
６ 背の部分
１１ コアロッド
１１ａ 溝型
１２ａ，１２ｂ パンチ
１３ ダイス
１５ ハウジング
１６ モータ
Ａ１ 動圧溝領域（正回転時）
Ａ２ 動圧溝領域（逆回転時）

Claims (6)

1. 内周に、複数の動圧溝を円周方向に配列した動圧溝領域を有する軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材とを備え、軸部材と軸受スリーブの相対回転時に、軸部材の外周と軸受スリーブの内周との間のラジアル軸受隙間に生じた流体の動圧作用で軸部材をラジアル方向に非接触支持する動圧軸受において、
   軸受スリーブが焼結金属製で、軸受スリーブの内周に正回転時の動圧溝領域および逆回転時の動圧溝領域がそれぞれ形成されると共に、両動圧溝領域が異なる形状をなし、かつこれら動圧溝領域を有する軸受スリーブの内周面が型成形された面であることを特徴とする動圧軸受。
2. 正回転時および逆回転時の各動圧溝領域を、その軸方向位置をずらして配置した請求項１記載の動圧軸受。
3. 正回転時と逆回転時の各動圧溝領域を、その軸方向位置を同じにして配置した請求項１記載の動圧軸受。
4. 軸受スリーブの内周面の表面開孔率を２〜２０％にした請求項１記載の動圧軸受装置。
5. 軸部材をモータの回転軸として使用する請求項１〜４何れか記載の動圧軸受装置。
6. モータがパワーウィンド用モータである請求項５記載の動圧軸受装置。

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