JP4170730B2

JP4170730B2 - 静圧軸受およびこれを用いたエアスピンドルモータ

Info

Publication number: JP4170730B2
Application number: JP2002321057A
Authority: JP
Inventors: 聡新居
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: JP2004156666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静圧軸受およびこれを用いたエアスピンドルモータに関する。さらに詳しくは、精密工作機械や精密検査装置等に用いられるエアスピンドルモータ、および、このエアスピンドルモータに好適な静圧軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエアスピンドルモータは、半径方向に円盤状に膨出したスラストカラー部を有する回転軸と、この回転軸の外周面を回転自在に支持するラジアル軸受面および上記スラストカラー部の前後両面を支持するアキシャル軸受面を有する軸受部と、上記回転軸における軸受部によって支持される被支持部と反対側に配設されたモータ部とを備えている（特許文献１および特許文献２を参照）。
【０００３】
上記ラジアル軸受面には回転軸の外周面との間隙に圧縮空気を供給するためのラジアル給気孔が形成され、アキシャル軸受面にはスラストカラー部の面との間隙に圧縮空気を供給するためのアキシャル給気孔が形成されている。ラジアル給気孔はラジアル軸受面の周方向に沿って等間隔に複数個形成され、アキシャル給気孔はアキシャル軸受面における回転軸と同心円周上に等間隔に複数個形成されている。このように、ラジアル給気孔およびアキシャル給気孔のそれぞれは等間隔に形成されているが、ラジアル給気孔とアキシャル給気孔との位置関係については何らの注意も払われていない。
【０００４】
エアスピンドルモータの製造者はその回転精度の向上のために様々な工夫をこらしている。一方、最近のエアスピンドルの回転数に対するユーザの要求は従来の数千回転／分から数万回転／分へと高まってきている。回転精度（スピンドルの芯ぶれ）についてもナノレベルの精度が要求されるようになってきている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−９６４２３号公報
【特許文献２】
実用新案登録第２５７４５８１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、ラジアル給気孔の配設位置とアキシャル給気孔の配設位置との関係が軸受のラジアル剛性に影響を及ぼすことを鋭意研究の末に見出し、これをエアスピンドルの回転精度の向上に利用することを可能にした。本発明はエアスピンドルの回転精度が向上したエアスピンドルモータ、および、このエアスピンドルに好適な静圧軸受を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の静圧軸受は、
回転軸の外周面を回転自在に支持するラジアル軸受面と、回転軸の半径方向に膨出したスラストカラー部の前後両端面それぞれに対向して、このスラストカラー部を支持するアキシャル軸受面と、上記ラジアル軸受面に周方向等間隔に形成されたラジアル給気孔と、アキシャル軸受面に、上記ラジアル給気孔の配列と同心の円周方向に等間隔に形成されたアキシャル給気孔とを備えており、上記ラジアル給気孔およびアキシャル給気孔のうちいずれか一方の周方向に隣接する二個の孔の間に配置される他方の一個の孔が、前記一方の孔同士が中心軸に対してなす角度を二分する中央角度位置に配置されている。
【０００８】
かかる構成により、静圧軸受の軸方向に給気孔の配置を見たとき（正面視）、ラジアル給気孔とアキシャル給気孔との配置が重ならない。さらに、一方の給気孔が他方の給気孔同士の間隔の中央位置となるため、軸受のラジアル剛性が周方向に均一化される。その結果、この軸受に支持される回転軸の回転精度が向上する。
【０００９】
そして、上記ラジアル軸受面に、周方向に形成されたラジアル給気孔の位置を通る周方向のラジアル給気溝がさらに形成された静圧軸受、および／または、上記アキシャル軸受面に、周方向に形成されたアキシャル給気孔の位置を通る周方向のアキシャル給気溝が形成された静圧軸受が好ましい。給気孔から軸受面に供給された気体の周方向に沿った方向の圧損が抑制されるからであり、これがラジアル剛性の均一化に寄与するからである。
【００１０】
また、一円周上に形成されるアキシャル給気孔の個数を一円周上に形成されるラジアル給気孔の個数の整数倍とし、一円周上に形成される各ラジアル給気孔を周方向に隣接する二個のアキシャル給気孔同士の中央角度位置に配置することも可能である。かかる構成によってもラジアル剛性の均一化が図られる。
【００１１】
また、周方向等間隔に同数のラジアル給気孔が配設されてなるラジアル給気孔列を静圧軸受の軸方向に間隔を置いて複数列配設し、各ラジアル給気孔が、周方向に隣接する二個のアキシャル給気孔同士の中央角度位置となるように配置することもできる。かかる構成によってもラジアル剛性の均一化が図られる。
【００１２】
かかる静圧軸受であって、上記ラジアル給気孔列が静圧軸受の軸方向に間隔を置いて四個以上の偶数列配設されており、奇数番目のラジアル給気孔列の対応するラジアル給気孔が静圧軸受の軸方向に一直線上に配列されており、偶数番目のラジアル給気孔列の対応するラジアル給気孔が静圧軸受の軸方向に一直線上に配列されており、奇数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔と偶数番目のラジアル給気孔列ののラジアル給気孔とが、周方向の異なる角度位置に配置されてなる静圧軸受が好ましい。
【００１３】
本発明のエアスピンドルモータは、以上説明したうちのいずれか一の静圧軸受と、この静圧軸受に回転自在に支持される回転軸と、この回転軸における静圧軸受による被支持部と反対側に配設されたモータ部とを備えている。
【００１４】
かかる構成により、エアスピンドルの回転精度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照しながら本発明の静圧軸受およびエアスピンドルモータの実施形態を説明する。
【００１６】
図１には本発明の一実施形態である、コンピュータのハードディスクを検査する装置等に用いられるエアスピンドルモータ１が示されている。このエアスピンドルモータ１は、モータハウジング（以下、単にハウジングという）２と、このハウジング２の内周面に嵌合固定された軸受部材３と、この軸受部材３によってその一端側が回転自在に支持された回転軸４と、回転軸４の他端側に配置されるモータ部５とを備えている。
【００１７】
回転軸４は、軸受部材３によってその外周面を回転自在に支持される大径の被支持部６、モータ部５のロータ７ａが取り付けられた小径のロータ取り付け部８、および、被支持部６とロータ取り付け部８との境界近傍に半径方向に円盤状に膨出したスラストカラー部９を有している。また、小径部の先端にはエンコーダ１０が取り付けられており、大径部の端部にはワークを取り付けるためのテーブル１８が取り付けられている。符号７ｂはモータのステータを示す。
【００１８】
軸受部材３は、回転軸４の被支持部６外周面を回転自在に支持するラジアル軸受面１１および上記スラストカラー部９の軸Ｌ方向前後両面を支持する一対のアキシャル軸受面１２を有している。軸受部材３は分解組立を容易にするために上記一対のアキシャル軸受面１２の部位から分割可能にされている。したがって、図示のごとく軸受部材３は長短二個の鍔付き円筒部材３ａ、３ｂから構成されることになる。図２に示すように、軸受部材３が分割可能にされていることに対応して、ハウジング２も軸受部材３と同じ部位から分割可能にされている。
【００１９】
図１および図２に示すように、上記ラジアル軸受面１１には周方向等間隔（９０゜）に複数個（本実施形態では四個）のラジアル給気孔１３が回転軸外周面との間隙に向けて形成されており、各アキシャル軸受面１２に周方向等間隔（４５゜）に複数個（本実施形態では八個）のアキシャル給気孔１４がスラストカラー部９の対抗面との間隙に向けて形成されている。スラストカラー部９の前面のアキシャル給気孔１４と後面（背面または裏面）のアキシャル給気孔１４とは同一角度位置に配置されている。ハウジング２にはすべての給気孔１３、１４に圧縮空気を供給するための給気通路１５が形成されており、ハウジング２の軸受部材３が嵌合する内周面にはラジアル給気孔１３の配置されている周方向に、給気通路１５と連通する給気チャネル１５ａが形成されている。かかる構成により、すべての給気孔１３、１４は給気通路１５に連通され、この給気通路１５は図示しない給気源に接続されている。
【００２０】
また、給気による回転軸支持圧をラジアル軸受面１１の周方向にできるだけ均一にする目的で、ラジアル軸受面１１には一の周方向に形成された全ラジアル給気孔１３（後述のラジアル給気孔列）の位置を通る周方向の浅いラジアル給気溝１６が形成されている。同様の目的で、アキシャル軸受面１２には周方向に形成された全アキシャル給気孔１４の位置を通る円形外形の浅いアキシャル給気溝１７が形成されている。いずれの溝１６、１７も図７に示す断面形状を呈している。各給気孔１３、１４からは回転軸４と軸受面１１、１２との間隙に圧縮空気が噴出し、この空気は溝１６、１７を巡るとともに後述する排気通路２５などを通って外部へ逃げる。したがって、上記間隙での空気圧は給気孔１３、１４の位置が一番高く、給気孔から離れるにしたがって低下する。しかし、各溝１６、１７はその他の間隙に比べて流路抵抗が少なく、圧損が小さい。本発明ではさらに回転軸支持圧を均一にする（ラジアル剛性を均一にする）目的のため、後述するようにラジアル給気孔１３とアキシャル給気孔１４との配置に工夫を凝らしている。
【００２１】
上記ラジアル給気溝１６およびアキシャル給気溝１７は軸受面１１、１２に形成されているが、本発明ではかかる構成に限定されない。たとえば、図８は回転軸４を示す断面図であるが、ここに示すように上記溝１６、１７に対向する回転軸４の表面（スラストカラー部９の表面を含む）にこれら給気溝１６ａ、１７ａを形成してもよく、回転軸４と軸受面１１、１２の両方に形成してもよい。図８において符号２６で示すのは上記テーブル１８に形成された凹所１８ａ（図１）を正圧または負圧にするための空気通路である。
【００２２】
図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図であるが、図３も併せて参照すればラジアル給気孔１３およびアキシャル給気孔１４の配置が明確になる。ラジアル給気孔１３は軸Ｌ方向に離間した二位置それぞれに、周方向に等角度間隔（９０゜）を置いて四カ所に形成されている（図３）。この一周方向に配列されたラジアル給気孔１３の列をラジアル給気孔列と呼ぶ。離間した二つのラジアル給気孔列のラジアル給気孔１３は軸Ｌ方向に平行な直線上に配置されている（図１および図２）。一方、アキシャル給気孔１４は軸受部材３と同心円上に等角度間隔（４５゜）をおいて八カ所に形成されている（図３）。
【００２３】
また、図３に示すように、これら給気孔１３、１４の形成位置を軸Ｌ方向に見ると（正面視）、各ラジアル給気孔１３の位置は、周方向に隣接するアキシャル給気孔１４同士の間の中央部、すなわち、軸Ｌを中心とした隣接するアキシャル給気孔１４同士がなす角を二分する位置にされている。本実施形態ではラジアル給気孔１３の個数が四個であり、アキシャル給気孔１４の個数が八個であるため、図３に示す配列となるが、図４に示す軸受部材１９のように両給気孔１３、１４が同数であれば各給気孔１３、１４が等角度間隔に形成されることになる。要するに、正面視での両給気孔１３、１４の個数にかかわらず、ラジアル給気孔１３およびアキシャル給気孔１４のうちいずれか一方の周方向に隣接する二個の孔の間に配置される他方の一個の孔が、前記一方の孔同士の中央角度位置に配置されていればよいのである。
【００２４】
以上のように給気孔が配置された軸受部材は、かかる配置をとらない従来の軸受に比較してそのラジアル剛性がその周方向について均一となる。すなわち、回転軸の回転精度が向上する。この理由を、上記軸受部材３と、上記構成を有しない軸受部材の一例（図１１に示す比較例）５１とを対比して説明する。
【００２５】
比較例５１では、周方向に等角度間隔に三個のラジアル給気孔５２が形成されており、周方向に等間隔に四個のアキシャル給気孔５３が形成されている。そして、正面視で一のラジアル給気孔５２が一のアキシャル給気孔５３と同一角度一に形成されている。その他の給気孔５２、５３は図示のごとく必然的に一致することはなく、また、両給気孔５２、５３同士が等間隔になることもない。すなわち、隣接する二個のアキシャル給気孔（ラジアル給気孔）の間に配置されるラジアル給気孔（アキシャル給気孔）は、それらの中央角度位置に配置されてはいない。
【００２６】
その結果、比較例５１の周方向についてのラジアル剛性（図５のグラフに一点鎖線で示す）が、上記実施形態３のそれ（実線で示す）に比べて均一性に欠ける。図５のグラフの横軸はラジアル軸受面の周方向３６０゜の範囲を１６等分（２２．５゜毎）に展開して示しており、縦軸は周方向各点のラジアル剛性（Ｎ／μｍ）を示している。実施形態に対しては図３に番号１から１６までの分割点に番号を付しており、比較例に対しては図１１に対して番号１から１６までの分割点に番号を付している。ラジアル剛性は回転軸に軸方向に垂直な加重を加えたときに、１μｍのたわみを生じさせるための荷重値（単位はＮ）である。実施例と比較例とにこのような差が生じるのは、回転軸の先端等に軸方向に垂直な荷重が加わったときの、ラジアル給気孔からの給気とアキシャル給気孔からの給気によるいわば抵抗モーメントの差に起因すると考えられる。
【００２７】
図６に示すように、回転軸の先端等に軸方向に垂直な荷重Ｗが加わったとき、ラジアル給気のうち荷重方向に対抗する成分Ｒによって回転軸に加わるモーメント、および、荷重Ｗと同一角度位置のアキシャル給気Ａによって回転軸に加わるモーメントが、荷重Ｗによって回転軸に加わるモーメントに対抗する。したがって、比較例５１の場合、番号８の位置にラジアル給気孔とアキシャル給気孔とが一致しているため、番号８の位置の抵抗モーメントが大きくなり、逆に番号６および番号１０の位置の抵抗モーメントが小さくなるので、図５に示すようにラジアル剛性の均一性に欠けることになる。しかし、実施形態の場合はラジアル給気孔とアキシャル給気孔とが同一角度位置に重ならず、比較例に比してラジアル剛性の均一性が得られる。
【００２８】
以上に述べたことから、ラジアル剛性の均一性の観点からはラジアル給気孔の個数とアキシャル給気孔の個数とが同一であることが望ましい。また、ラジアル給気孔およびアキシャル給気孔のうちの一方の個数が他方の個数の整数倍であることが望ましい。
【００２９】
図９には他の実施形態が示されている。この軸受部材２３は前述の軸受部材３とは給気孔の配置が異なり、その結果、図示しない給気通路の配置も異なっている。その他の構成は共通しているので、同一構成部には同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
この軸受部材２３ではラジアル給気孔列が軸Ｌ方向に離間した四位置に形成されている。各ラジアル給気孔列には、周方向に等角度間隔（９０゜）を置いて四カ所にラジアル給気孔１３が形成されている。離間した四つのラジアル給気孔列のうち、軸受部材２３の一端側から奇数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔１３ａは軸Ｌ方向に平行な直線上に配置されている。また、偶数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔１３ｂも軸Ｌ方向に平行な直線上に配置されている。しかし、奇数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔１３ａと偶数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔１３ｂとはその周方向の角度位置が一致しておらず、４５゜だけずれている。したがって、正面視では４５゜毎にラジアル給気孔１３が位置することになる。ラジアル給気孔１３をこのように配列しているのは、円周方向の空気圧力の変化を小さくし、ラジアル剛性を均一にするためである。
【００３１】
一方、アキシャル給気孔１４は軸受部材２３と同心円上に等角度間隔（４５゜）をおいて八カ所に形成されている。したがって、正面視ではラジアル給気孔１３とアキシャル給気孔１４とが２２．５゜の等角度間隔で配置されていることになる。その結果、軸受部材２３のラジアル剛性が均一になる。
【００３２】
この実施形態では四個のラジアル給気孔列が配置されているが、本発明ではかかる構成限定されない。たとえば、六個以上の偶数個のラジアル給気孔列を設け、前述の思想に適合するようにこのラジアル給気孔に対応するアキシャル給気孔の個数と配置を選択してもよい。
【００３３】
図１０および図３を参照して排気通路２５を説明する。各給気孔１３、１４から噴出した圧縮空気は、給気溝１６、１７から回転軸４と軸受面１１、１２との間隙を通って外部へ逃げるが、このとき、多くは排気通路２５を通って外部へ逃げる。ラジアル軸受面１１には周方向に等角度間隔（６０゜）で複数個（本実施形態では六個）のラジアル排気孔２７が回転軸４と軸受面１１、１２との間隙に向けて形成されている。これを排気孔列と呼ぶとすると、軸Ｌ方向に間隔を置いて二つの排気孔列が形成されている。各排気孔列に対向する回転軸４の外周面にはラジアル排気溝２８が周方向に形成されている（図８参照）。もちろん、このラジアル排気溝２８に代えて、または、このラジアル排気溝２８に加えて対向するラジアル軸受面１１の部分に周方向のラジアル排気溝を形成してもよい。また、ハウジング２の軸受部材３が嵌合する内周面にはラジアル排気孔２７の配置されている周方向に、排気通路２５と連通する排気チャネル２５ａが形成されている。
【００３４】
また、アキシャル軸受面１２にも周方向に等間隔をおいてアキシャル排気孔２９が形成されている。このアキシャル排気孔２９は上記排気通路２５に連通している。
【００３５】
かかる構成により、すべての排気孔２７、２９は排気通路２５に連通されているので、給気はこの経路を通って外部へ排気される。
【００３６】
以上説明した実施形態では正面視でのラジアル給気孔の個数がアキシャル給気孔の個数と同数かまたは少ないものを例示しているが、本発明ではかかる構成に限定されない。たとえば、正面視でラジアル給気孔の個数がアキシャル給気孔の個数より多い軸受であってもよい。個数の少ない方の給気孔が多い方の給気孔同士の中央角度位置に配置するようにすればよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、軸受の周方向に沿ってラジアル剛性が均一化し、その結果エアスピンドルの回転精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエアスピンドルモータの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のエアスピンドルモータにおける軸受部材およびハウジングの一部を示す縦断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。
【図４】本発明の他の実施形態にかかるエアスピンドルモータの中央部から軸方向に見た（正面視）図であり、図３に相当する図である。
【図５】図１における軸受部材および従来の軸受部材（比較例）のラジアル剛性の分布を概念的に示すグラフである。
【図６】回転軸に対して加わる外乱荷重とこれに対抗する給気力との関係を概略的に示す断面図である。
【図７】図２におけるＶＩＩ部の拡大図である。
【図８】図１における回転軸を示す縦断面図である。
【図９】図９（ａ）は本発明の他の実施形態にかかる軸受部材を示す正面図であって図３に相当する図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の平面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図であるとともに図９（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図でもある。
【図１０】図１のエアスピンドルモータにおける軸受部材およびハウジングの一部を示しており、図２とは異なる角度位置から切断したす縦断面図である。
【図１１】従来の軸受部材（比較例）の中央部から軸方向に見た（正面視）図であり、図３に相当する図である。
【符号の説明】
１・・・・エアスピンドルモータ
２・・・・ハウジング
３・・・・軸受部材
３ａ，３ｂ・・・・円筒部材
４・・・・回転軸
５・・・・モータ部
６・・・・被支持部
７ａ・・・ロータ
７ｂ・・・ステータ
８・・・・ロータ取り付け部
９・・・・スラストカラー部
１０・・・・エンコーダ
１１・・・・ラジアル軸受面
１２・・・・アキシャル軸受面
１３・・・・ラジアル給気孔
１４・・・・アキシャル給気孔
１５・・・・給気通路
１５ａ・・・給気チャネル
１６、１６ａ・・・・ラジアル給気溝
１７、１７ａ・・・・アキシャル給気溝
１８・・・・テーブル
１８ａ・・・（テーブルの）凹所
１９・・・・軸受部材
２３・・・・軸受部材
２５・・・・排気通路
２６・・・・空気通路
２７・・・・ラジアル排気孔
２８・・・・ラジアル排気溝
２９・・・・アキシャル排気孔
５１・・・・（比較例の）軸受部材
５２・・・・（比較例の）ラジアル給気孔
５３・・・・（比較例の）アキシャル給気孔

Claims

回転軸の外周面を回転自在に支持するラジアル軸受面と、
回転軸の半径方向に膨出したスラストカラー部の前後両端面それぞれに対向して該スラストカラー部を支持するアキシャル軸受面と、
上記ラジアル軸受面に周方向等間隔に形成されたラジアル給気孔と、
アキシャル軸受面に、上記ラジアル給気孔の配列と同心の円周方向に等間隔に形成されたアキシャル給気孔とを備えており、
上記ラジアル給気孔およびアキシャル給気孔のうちいずれか一方の周方向に隣接する二個の孔の間に配置される他方の一個の孔が、前記一方の孔同士が中心軸に対してなす角度を二分する中央角度位置に配置されてなる静圧軸受。
上記ラジアル軸受面に、周方向に形成されたラジアル給気孔の位置を通る周方向のラジアル給気溝が形成されてなる請求項１記載の静圧軸受。
上記アキシャル軸受面に、周方向に形成されたアキシャル給気孔の位置を通る周方向のアキシャル給気溝が形成されてなる請求項１記載の静圧軸受。
一円周上に形成されるアキシャル給気孔の個数が、一円周上に形成されるラジアル給気孔の個数の整数倍であり、一円周上に形成される各ラジアル給気孔が、周方向に隣接する二個のアキシャル給気孔同士の中央角度位置に配置されてなる請求項１記載の静圧軸受。
周方向等間隔に同数のラジアル給気孔が配設されてなるラジアル給気孔列が静圧軸受の軸方向に間隔を置いて複数列配設されており、各ラジアル給気孔が、周方向に隣接する二個のアキシャル給気孔同士の中央角度位置に配置されてなる請求項１記載の静圧軸受。
周方向等間隔に同数のラジアル給気孔が配設されてなるラジアル給気孔列が静圧軸受の軸方向に間隔を置いて四個以上の偶数列配設されており、
奇数番目のラジアル給気孔列の対応するラジアル給気孔が静圧軸受の軸方向に一直線上に配列されており、偶数番目のラジアル給気孔列の対応するラジアル給気孔が静圧軸受の軸方向に一直線上に配列されており、
奇数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔と偶数番目のラジアル給気孔列のラジアル給気孔とが、周方向の異なる角度位置に配置されてなる請求項５記載の静圧軸受。
請求項１〜６のうちのいずれか一の項に記載の静圧軸受と、該静圧軸受に回転自在に支持される回転軸と、該回転軸における静圧軸受による被支持部と反対側に配設されたモータ部とを備えてなるエアスピンドルモータ。