JPS624566B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、平坦状や管状の振動式流体ベアリン
グに関する。

背景技術の説明 摩擦のない、低摩擦のベアリングは、コンピユ
ータのデイスク・フアイル・システム内で磁気記
録ヘツドを移動させるアクチユエータを含む種々
の機械に使用されると有用である。この目的に合
致する既知のベアリングの１つに、外部から加圧
する方式の空気ベアリングが知られている。例え
ばその１つは、外部の空気ポンプからの空気の流
れによつて２つの表面が接触しないようにしてい
る。しかし、このようなポンプは、信頼性が低
く、コストも高いのでデイスク・フアイルでは受
容れ難い。

デイスク・フアイルに適するということで最初
に現われたこの種のベアリングが、E.O.Salbu氏
が教示する圧搾（Squeeze）ベアリング（下記で
改めて説明する）である。このベアリングでは、
積極的に負荷を支持する力を発生するため、互い
に近接して隣り合つた２つの適合面が振動され
る。しかし、そのベアリング―1964年に最初に刊
行物に掲載―は下記のような多くの欠点を有して
おり、その欠点の故に多くの技術分野で実際に応
用することが出来ない。

１ その対応する面が剛性で重い。

２ ベアリングの表面を振動させる変換器もそれ
に対応して重い。

３ 電力消費が高い。

４ 負荷を支える能力に対するベアリングの重量
の比が過大である。

５ ベアリング自体の振動する質量が大きい故
に、振動周波数を可聴音の範囲より高くするこ
とができない。実際にも、Salbu氏の教示する
ところにより構成された圧搾ベアリングは可聴
音の範囲の振動をするので、耐え難い程うるさ
い。

６ ベアリングで支持される物体即ち負荷に対
し、時としてベアリングの受容れ難いような過
度の振動をその振動力が与えてしまう。特に物
体が振動するにも拘らず、物体は正確に位置付
けておきたいような場合不都合である。

米国特許第3626510号明細書には「水圧ベアリ
ング・システム（Hydraulic Bearing System）」
と題して、ベアリング表面相互間に液体を含む水
圧スラスト・ベアリングを設けたジヤイロスコー
プを開示する。これはベアリング上に正の負荷を
支持する力を発生するため一方のベアリング表面
に直角にもう一方のベアリング表面が振動する。
この特許明細書では「Trans ASME Journal of
Basic Engineering」の1964年６月号にE.O.
Salbu氏著の「圧縮可能な圧搾薄層及び圧搾ベア
リング（Compressible Squeeze Films and
Squeeze Bearings）」と題する論文を引用してお
り、下記のことを教示している。即ち「レイノル
ズの式」は、ベアリング表面相互間の相互的な横
移動により、１サイクル中の終りの部分に生じる
力の方が（初めの部分よりも）大きいという、１
サイクル中の非対称な力のことを教示している。
このような現象は高周波振動により与えられる
「ポンプ作用」と呼ばれ、圧縮可能なガスの薄層
に生じる圧縮に寄与する。このようなベアリング
は圧搾ベアリングと呼ばれ、その中の１対の平行
な表面が高周波での相対的な軸方向の振動による
支持を引出す。そしてそれには更に、ベアリング
空間中のガスが高周波のときはあまり早く流出で
きず圧縮を避けられないことを開示している。そ
してそれは圧縮可能なガス薄層中に生じる圧縮に
寄与するポンプ作用と呼ばれている。この米国特
許明細書のはガス圧搾ベアリングを水圧式にした
ものであり、加圧手段の形態をとる反キヤビテー
シヨン手段が、軸の反対端（上部端）にある部分
的に球形の空気圧搾ベアリングと組合わされる。
水圧ベアリング（曲り具合は小さい）が底部にあ
る。両者ともスラスト・ベアリングである。下方
のベアリングには枢支点があつて、これにより軸
の下端が座上に休止することのないようになつて
いる。

米国特許第3339421号は、「動的にガス薄層で支
持された惰力手段（Dynamic Gas Film
Supported Inertial Instrument）」と題して、円
筒状のPZT圧電素子シリンダを開示している。こ
れはガスの圧搾ベアリングを円筒の周面の周りで
且つ軸方向の両端にジヤイロスコープ様に装着す
るよう円筒全体をパルス付勢する。

米国特許第3433538号明細書は「動的なガス薄
層によるベアリング構造（Dynamic Gas Film
Bearing Structure）」と題して、改良したエアベ
アリングを開示している。これは素子の歪み軸の
１つに沿つて圧電変換素子を支持するようベアリ
ング中に可撓性のリング様素子を有するエアベア
リングである。

米国特許第3471205号及び第3359045号明細書
は、ともに「圧搾薄層ベアリング（Squeeze
Film Bearings）」と題する。円筒状の圧電素子
又は磁歪素子による歪み発生部材は超音波周波数
で軸方向及び半径方向の両方に振動する。この装
置は、スラスト・ベアリングとジヤーナル・ベア
リングの働らきを用時に提供する。

米国特許第4099211号明細書は「位置付け可能
な変換器装着構造及びその為の駆動システム
（Positionable Transducing Mounting Structure
and Driving System Therefor）」と題して、磁
気変換ヘツド用の「バイモルフ」支持装置を開示
している。このバイモルフは、長手方向に極性を
生じる軸が延びていて、長手方向に撓み得るとこ
ろの圧電作用で曲る板バネ素子である。このバイ
モルフは、中間の基板に２枚の平坦な圧電セラミ
ツク板が接着されていて、細長い板バネ素子の長
手方向に沿つて上下に曲る。この板バネ素子の端
部には、オメガ・ビデオ・テープ駆動装置を読出
すための磁気記録ヘツドがある。この板バネは２
つに区分され、バイモルフ素子が端から端までの
うち各々半分ずつ反対方向に板バネを曲げてい
る。それはアクチユエータであつて、ベアリング
ではないことは云う迄もない。しかし、それは磁
気記録ヘツドと関連して曲げを受ける積層体の圧
電素子を用いている。

米国特許第4106065号明細書は、前述の特許の
バイモルフ・アクチユエータ用の駆動回路を開示
している。

米国特許第4183645号明細書は、「デイスク駆動
用の圧電式のサーボ（Piezoelectric Servo for
Disk Drive）」と題して、デイスク読取ヘツド用
の正確な位置付け機構を開示している。これは曲
げ素子の長手方向に直角に読取ヘツド・アームを
移動させるよう何対かの互いに向かい合う撓曲性
の圧電曲げ素子を用いている。各対の曲げ素子は
互いに積層されてはいないが、平行に装着されて
いる。そのアームの上下に２つの素子が離隔さ
れ、全てが同じ方向に曲るので、全部で４個の素
子がヘツドを同じ方向に駆動する。

米国特許第3351393号明細書は、「圧電発振ベア
リング（Piezoelectric Oscillating Bearing）」と
題して、内向き反対方向に分極された圧電素子か
ら成る宝石ベアリングで支持された対のデイスク
を開示している。これはその第２欄第60行に示す
ように「デイスク上に支持されたベアリング２４
の動きが、１個の発振する圧電支持体で生じる筈
の動きに比べて比較的大きくなるよう一方のデイ
スクが他方の対応するデイスクを拡張する」よう
動作し得る。それはジヤイロスコープについて述
べ、また摩擦を減らすため振動するベアリングが
必要であることを述べてはいるが、圧搾ベアリン
グについては述べていず、ベアリングを支持する
ときに頑丈な物体を打ちつけることによつて生じ
る物理的な振動運動の概念に限つているようにみ
える。振動４６，４８及び５８の周波数は特定す
るものではない。

米国特許第1860529号明細書は、積層された圧
電共振器が技術的には大変古いものであることを
示す。それは振動するデイスクについては開示し
ていない。

米国特許第3114848号明細書は、可撓性デイス
クの節の円のところで装着された水晶のデイスク
の圧電素子サンドイツチ構造を有する「効率の高
い音波発生器」を開示している。この用法は、そ
れが空気を振動させるのに望ましいだけであつて
本発明とは無関係である。そしてこの装置はベア
リングでは使用されないし、任意の構造を支持す
るのにも使用されない。

米国特許第3304132号明細書は、デイスクの両
面上の、ジヤイロスコープの各端部のところに圧
電素子の環状リングを有する積層体デイスクのベ
アリングを開示する。この圧電素子はシヤフトの
軸方向にベアリングを振動させるよう歪められ
る。ベアリングはジヤーナル・ベアリングであ
る。米国特許第3239283号明細書も振動について
触れているが、本発明とはあまり関係ない。

米国特許第2993739号明細書は、「磁歪ベアリン
グ・アセンブリ」と題して、対向する磁歪素子が
感応装置のスラスト・ベアリングの組を振動させ
るというスラスト・ベアリング構成を開示する。
この磁歪素子は、その感応装置の運動を担持する
２個のベアリング相互間で発振する軸である。

上記の従来例からみて、本装置のデイスク・ベ
アリングの第１の新規な特徴点は、そのデイスク
ベアリングが上向き又は下向きの椀状になること
である。動作中に機械的な接触をする圧電振動に
関するベアリング技術はかなり多くある。しかし
圧搾ベアリングの技術はあまり発達していない。
圧搾ベアリング用として椀状のベアリングは未だ
使用されていない。従来技術は圧電振動の種々の
組合せを含むベアリングが多い。米国特許第
3114848号若しくは同第3304132号の明細書に示さ
れる積層体のベアリングをSalbu氏の教示するも
のに適用するという概念は、これらが発行されて
から13年以上も経つが、未だ発見されていない。
歪みのあるスリーブ・ベアリングについても従来
技法は未だ発見されていない。振動する圧搾ベア
リングに節のところで装着するのも新規である。

発明者は、Salbu氏の教示する型の圧搾ベアリ
ング薄層を、非常に新しい分野の技術、例えばデ
イスク・フアイル・アクチユエータのヘツド支持
バネ及びボイスコイルを支持するという技術に使
用できる可能性を追求した。ボイスコイルを支持
するため、接触せず内部でダンピングをかけたベ
アリングを使用すれば、将来のデイスク・フアイ
ル・アクチユエータの摩擦や歪みを解決すること
ができよう。

Salbu氏が開示した型の圧搾薄層ベアリング
は、ベアリング表面の１つが薄い捕捉した空気の
領域を振動させて大気圧以上の圧力の圧搾空気の
薄層を生じるようにする必要がある。負荷、剛性
及び装置の許容誤差を考慮すると、最小でも2.5
μｍという振動振幅が必要である。

このような振動を生じる２つの既知の方法は、
磁気によるものか圧電子によるものである。しか
し磁気アクチユエータは浮遊磁界を生じ、「一方
向の運動」しか行なえない。例えばスラスト・ベ
アリングのような一方向の運動である。従つてジ
ヤーナル・ベアリングには使用しにくい。残念乍
ら、圧電デイスクの単純な伸縮は非常に小さい効
果しか生じないからである。必要量の振動振幅を
生じるには非常に厚いものが必要であり、例え共
振できるとしても質量の大きい変換器となつて望
ましくない。

発明の概要 本発明によれば、磁歪材料、電歪材料又は圧電
材料から選択された材料の変換器部材を、２枚積
層するか又は他の材料の部材とともに積層するこ
とによつて撓み（曲げ）運動を与える。従つて下
記の第１図に示すとおり、１つの材料の変換器部
材のみから成り、撓み（曲げ）のない収縮運動し
か与えない従来の圧搾ベアリングを改良する。こ
のベアリングは、非可聴音の超音波周波数範囲内
で振動する。それはそれ自体の重さの50倍程度の
ものを支持できるが、２、３ワツトの電力しか消
費しない。更に本発明の実施例による新しい技法
に従い、平坦なプレーナ・ベアリング及びシリン
ダ状のジヤーナル・ベアリングが両方とも容易に
製造できる。

これは低摩擦ベアリングであり、メータ、ジヤ
イロ、シンクロ、キヤプスタン、サーボモータ若
しくは磁気記録ヘツドのような物体に使用でき
る。第１のベアリング表面を第２のベアリング表
面に対し上下に振動させる技法を使用する。

デイスク状のベアリングでは、デイスクの下面
の下の空気の柱は、デイスクが上昇するときデイ
スクの下方に勢い良く流込む。この空気はデイス
クが下降するとき圧縮して支持を与える。この概
念は1963年に本出願人の一員であるErik O.J.
Salbu氏が教示した。そのときのデイスクはここ
では、第２．１図乃至第２．４図に示すように、
互いに積層され若しくは結合された２枚の圧電材
料の層（磁歪又は電歪材料の層でも良い）、又は
１枚の圧電材料の層（磁歪又は電歪材料の層でも
良い）と積層された他の材料の層（上記１枚の層
のとは異なる材料の層であつて、積層されること
によつて駆動時に撓みを与え得る層なら何でも良
い）を有する構成に改良された。

これによつて、圧電材料のデイスクの上部から
下部に向かうよう印加された正の電界の為に、第
２．３図及び第３．３図に示すとおりデイスクの
外側の部分が下降するようデイスク全体が撓む。
この電界が負に反転される時、デイスクの外側部
分が上昇し、デイスクの中央部分が下降する。こ
の運動は椀状に曲がるバイメタルの素子の運動に
類似する。そして上下に交互に椀状に膨らむとい
うような、可聴音の周波数若しくはそれ以上の周
波数の、急速な振動を行なう。デイスクが振動す
る際、特にデイスクが上向きの椀状に膨らむとき
そこへ空気が急速に流れ込む。このような膨らみ
動作は、ベアリング・デイスクの縁と、該デイス
クを空気を介して支持する平坦面との間に環状の
大きな間隙を提供する。そしてデイスクが振動す
る際、そのデイスクの下方へその空気が急速に出
入りする。このデイスクが上向きの椀状に膨らむ
とき、空気は出入りし易い。デイスクが下向きの
椀状に膨らむとき、デイスクの周囲は、該デイス
クを支持するベアリングの平坦面の近傍にあつ
て、下向きの椀状のデイスクの下方の領域から空
気が逃げないようにする。デイスクがその椀状か
ら脱する際、空気が圧縮され、これによつてデイ
スク及びそれを支持する任意の負荷を上昇させ
る。動作中、振動するデイスクは、ベアリング支
持面から遠去かるように上昇する。そしてその振
動のサイクルの全期間中、空気の薄膜で該支持面
から隔てられるように維持される。

代替例として、このベアリングは第８．１図乃
至第９．３図に示すような摺動可能な若しくは回
転するベアリングであつて、その中空のスリーブ
がその軸に沿つて長手方向に整列された複数個の
別個の圧電素子を含むものであつて良い。その結
果３個乃至４個のセグメントがある場合、第８．
３図、第８．４図、第９．２図及び第９．３図で
示すように内外に曲がろうとする。スリーブの環
状の断面は、内側（正のフイールド）又は外側
（負のフイールド）で示される２通りの歪んだ断
面のいずれかへ交互に曲げられる。これらの断面
は、楕円、三角、四角若しくはもつと高次の多角
形であつても良い。第８．３図及び第８．４図は
三角形の断面を示す。

本発明の特長は下記のとおりである。

(1) 振動させることによつて上向き又は下向きの
椀状になるベアリングを用いた振動式の空気動
力学的ベアリングである。その装着を振動の節
（動きのないところ）の位置で行なうことがで
き、被支持物体の振動が生じない。衝撃吸収部
材や複雑な装着構成が不要である。

(2) 中心軸まわりの歪んだ圧搾ベアリング・スリ
ーブがジヤーナル・ベアリングの為に適用され
る。

(3) デイスク若しくはスリーブの機械的共振を生
じる周波数で動作させることによつて最適の動
作が得られる。

実施例の方法は、質量の小さい変換器と、被支
持部品の機械的振動の少ない圧搾・薄膜ベアリン
グを含む。

本発明は、必要な振動を発生させるために圧電
材料のサンドイツチ状構造を使用する。この動作
は、１枚の層が拡張し、その間にもう１枚の層が
収縮して正味の曲げが生じる（第２．１図乃至第
２．４図及び第３．１図乃至第３．４図参照）と
いうように、バイメタルのデイスクに類似した動
作である。この構成が他の応用例の為の変換器を
作るのに用いられてきたが、圧搾ベアリング用に
それが用いられることには気が付かなかつた。

このベアリングを実際に応用する場合の第２の
問題は、ベアリング表面の必要な基本振動により
その支持構造の不所望の振動が生じることであ
る。デイスク・アクチユエータのヘツド支持装着
構造やボイス・コイルはこれらの振動を受けては
いけない。非常に高い基本振動周波数を用いると
ともに、被支持物の、ベアリング物質に対する質
量比を高くすることによつて、圧搾薄膜を発生す
る任意の構成又は方法に対する如上の問題は極力
小さくできる。

本発明の実施例によれば、圧電曲げ素子のサン
ドイツチ構造の節のところにその物質を取付けて
いるので、被支持物質（例えばボイス・コイル）
に伝達される振動の振幅を更に小さくできる。
（圧電曲げ素子の振動の振幅は、節のところで零
若しくは小さい値である。）この概念を、振動を
生じる他の方法にまで一般化するのは容易ではな
い。

ここで説明するベアリングは、デイスク状のス
ラスト・ベアリングである。このような軸受は、
デイスク・フアイル・アクチユエータでは１つの
自由度に対する主たる拘束を与えるものとして使
用できる。完全なベアリング・システムを与える
ため、それは揺動腕のような他の圧搾ベアリング
や他の型のベアリングと組合わされ得る。

圧電曲げ素子圧搾ベアリングの概念は、ジヤー
ナル・ベアリングまで拡張でき、これが４つの自
由度に対する拘束を与えることになろう。このよ
うな円筒状ベアリングの断面の可能な形状は、第
６．１図乃至第６．３図、第７．１図乃至第７．
４図、第８．１図乃至第８．４図及び第９．１図
乃至第９．３図に図示する。

実施例の説明 第１図は、上述のSalbu氏が開示した従来の
種々の圧搾ベアリングの図である。振動する構造
体３０は、構造体３０が上下に振動される際、構
造体３０の下に捕えられた空気によつて表面３１
の上方に支持される。第１図の構造体３０のとこ
ろの実線は電界が印加されたときの形状を示す。
その破線は電界が印加されないときの形状を示
す。これはベアリングの振動を生じさせるのに圧
電効果を直接利用した好適な例であるが、図上の
寸法は説明の関係上誇張して示したものである。
振動を生じさせる別の手段は、ベアリングの支持
部分に適用される磁気力である。構造体３０が上
昇される高さｈは、ｈ＝ho＋dsinWotで表わされ
る。但し、高さhoは、表面３１から構造体３０
までの平均高さであり、ｄは振動の振幅、Woは
振動の周波数である。例えばｄは約0.005mm、ho
は約0.01mmである。第１図に示すような嵩張つた
物体に多くの場合生じる問題は、1/10^４を超える
歪みや曲げが生じるとその物体が破壊されること
である。従つて構造体３１を移動させるのに必要
な振動の振幅として2.5μｍというような値をと
るためには、構造体３０の厚さは2.5cm以上必要
である。尚2.5μｍという値は典型例で望ましい
振幅値である。このことは多くの場合、支持され
る方の負荷に対し、支持される方のベアリングも
非常に大きな質量が必要ということになる。この
ような大きな質量のベアリングを用いることにな
ると、モータで負荷を付勢するとき軽量の負荷の
加速も小さくなりがちである。

第２．１図は、少なくとも１層の圧電体層３３
と他の層３４とより成る積層構造で腕状のデイス
クベアリング・アクチユエータ即ち変換器３２を
示す。この変換器３２は、第２．２図及び第２．
３図に示すようにデイスクが変形されても、振動
の節となつて移動しない円上の部分（破線３５で
示す）を有する。第３．１図乃至第３．２図が第
２．１図乃至第２．３図の断面図を示すことに留
意されたい、 電気的な接点３６及び３７（後者は第２．２図
乃至第２．４図には図示しないが、第３．１図乃
至第３．４図及び第４図や第５図の詳細図には図
示する）が圧電体層３３の上面と下面とに、変換
器３２の上下に図示したリード線３８及び３９で
以つて接続される。第３．１図乃至第３．４図に
は、下方の接点３７が図示されている。リード線
３９は説明をし易いような位置に図示されてい
る。その好適な接続方法は第４図及び第５図に図
示されている。第２．２図及び第３．２図には、
上方のリード線３８がバツテリ２６の負の端子に
接続され、これによつて変換器３２が上向きの椀
状になつている。第２．３図及び第３．３図で
は、上方のリード線３８がバツテリ１６の正の端
子に接続され、下方のリード線３９がその負の端
子に接続されて、変換器３２を下向きの椀状にし
ている。このような上向き又は下向きの椀状の一
連の動作は、第２．４図及び第３．４図の発振器
１７により所定の周波数で得られる。即ち、変換
器３２の外周面がぱたぱたと動き、節となる円３
５の内側のデイスク部分が急激に上下動（実線の
変換器３２が下向きの椀の形状を表わし、一点鎖
線の変換器３２′が上向きの椀の形状を表わす）
して、変換器３２の連続的な振動が得られる。

このような積層体のデイスク動作が基本的には
如上の態様で行なわれ、これによつて第２．４
図、第４図及び第５図に示すようなマウント（装
着体）１８で保持されている負荷２０を支持す
る。マウント１８は開口１９を含む。これはベア
リングのデイスク・アクチユエータ即ち変換器３
２で担持されるよう負荷２０の底部に設けられた
ピン２１を受容れる。マウント１８は、脚部２２
によつて変換器３２の上面に固着される。デイス
ク状の変換器３２を、可撓性や、安定性及び軽量
化の必要を考慮して、脚部２２やマウント１８を
三角形に配列するのが特に好適であると考えられ
る。勿論、脚部を多数有する多角形や円形のマウ
ント乃至支持体を使用しても良い。但し、それら
の脚部は、振動の節となる円上に配置されるのが
好ましい。節となる円に取付ける理由は、節のと
ころであればデイスク状の変換器３２の振動が殆
んど零か無視し得る程であり、負荷２０に殆んど
振動が伝わらないからである。

第４図及び第５図のデイスク状の変換器３２
は、第２．１図乃至第３．４図で説明した原理を
実際に応用したものであつて、積層構造が使用さ
れる。その直径は16.5mm、厚さ１mm、質量1.5gm
であつて、周波数28KHzで２ワツトの電気エネル
ギを使用し、浮上高さ即ち飛行高さは10μｍで、
100gmのスラスト荷重と30gm―cmのトルク負荷
を受ける。一番下の層は好適には厚さ約0.5mm、
直径約15mmのデイスク状のモリブデン層３４であ
る。次の層は厚さ約20μｍのエポキシ層２３であ
り、これは厚さ約１μｍのニツケル板の薄膜のメ
タライズ層である下側の第２電極２９に上記のモ
リブデン層３４を固着するのに使用される。厚さ
約0.5mmの圧電体層３３がその次に配設される。
この圧電体層３３は、チタン酸ジルコニウム酸鉛
から成るPZT圧電セラミツクである。圧電体層３
３の側面に接続用条帯（コンタクト・ストラツ
プ）２７が張出している。その構造体即ち圧電体
層３３の上側にもメタライズ層があるが、これは
上側の第１電極２８と前述の下側の第２電極２９
との間の曲りくねつた間隙２６（第４図、第５
図）で隔てられている。そして主として圧電体層
３３の上面が第１電極２８に、下面が第２電極２
９に電気的に接続されている。これらの電極２８
及び２９は両方とも、変換器３２の上側の、節と
なる円３５上に電気的接点が生じるよう位置付け
られ、これによつてリード線３８及び３９に応力
が出来るだけかからないようにしている。圧電体
層３３の上面の一部に、第２電極２９の電位が印
加されていることは問題ではない。何故ならば第
２電極２９で覆われている部分が非常に小さいか
らである。

第６．１図、第６．２図及び第６．３図は、上
述のデイスク状の変換器３２の構造に似た積層体
の圧電体構造を有する管状変換器７０とそれを担
持する軸７１とより成るジヤーナル・ベアリング
（軸受け）構造を示す。この構造の詳細は第８．
１図乃至第８．４図及び第９．１図乃至第９．５
図に示す。第６．１図には、その長手方向軸に直
角な断面が第７．１図にも示す通り縦軸の方が長
い楕円となるような管状変換器７０が示される。
第６．２図及び第７．２図では、縦軸及び横軸が
等しい円を形成している。第６．３図及び第７．
３図では、横軸の方が長い楕円を形成している。
第７．４図は如上の第７．１図乃至第７．３図の
縦の長い楕円、円、横の長い楕円を互いに重ねた
ものを示す。この図から、如上のような形状で変
化するよう管が振動するとき不動の、節７２とな
る部分が４箇所即ち軸７１の軸方向に延びる節７
２の線が４本あり、それらで区分される４つのセ
グメントの管状部分があることが理解されよう。
このように振動させるには、その管を第９．１図
乃至第９．５図に従つて構成すれば良い。

第８．１図乃至第８．４図は、軸７１と構成を
少し変えた管状変換器８０の構成を示す。これは
圧電素子に流れる電流の向きが変るとき、第８．
３図及び第８．４図に示すように異なる三角形を
呈するよう６箇所に節（図示せず）が生じる６個
の表面から成る。「休止」時の形状は第８．２図
の断面で示す。

第９．１図乃至第９．３図には、所望の要件に
従つて管を変形させるために必要な実際の電極構
成と組合せた第６．１図乃至第６．３図の管状変
換器７０の構成を示す。管状変換器７０は、モリ
ブデン製の内側管状部分３４から成る。その廻り
には圧電材料の管状部分３３が形成される。管状
部分３３の外表面の大部分のところには第９．４
図に示すように溝９５で隔てられた電極９６及び
９７の形態の薄膜状の金属がメツキされる。

第９．４図は第９．１図乃至第９．３図の管状
変換器７０の外表面を展開した図であつて、第
９．１図乃至第９．３図の斜視図では分りにくい
部分を明らかにするための図である。管の節７２
の位置にある溝９５と整列するように電気接点９
１及び９２が設けられる。溝９５で、仕切られた
２組のセグメント９７及び９６が反対向きに変形
して管状変換器７０と軸７１との間の空間を圧縮
するような振動を生じるよう管状変換器７０の内
側のモリブデン部分は接点９１及び９２の両電位
の中間の電位にある。斯して物理的な接触がなく
摩擦も非常に低いジヤーナル・ベアリングが提供
され、軸７１に沿う滑動（若しくは回転）運動が
非常に低い摩擦で以つて与えられる。

第９．５図は管状変換器７０の一端を示す部分
図であり、溝９５の両側に電界が生じることを示
す。正のときの電極９６の下で伸びる部分と、負
のときの電極９７の下で縮む部分とがあることを
示す。という説明の都合上、接点９１及び９２の
位置は変えてある。管状変換器７０の一実施例で
は、外径が9.517mmの軸７１と内径が9.543mmの管
状変換器７０とを用いて管状変換器７０の中に軸
７１と中心付けると、その軸の表面とその変換器
の上部及び下部（両横）との間隙が0.0125mmにな
る。このときの変換器の最大振幅は約0.01mmであ
る。

この電極は、厚さ１乃至３μｍのニツケルメツ
キであり、溝９５は約250乃至500μｍの幅であ
る。この管状の支持構成は堅固であり、軸との間
の間隙が小さければ小さい負荷しかかけられな
い。また間隙が小さいと、湿度の影響を受け易
く、湿度が高いとそれが凝縮して水になり、その
ベアリングの負荷に悪影響を及ぼす。もしもその
間隙が大きければ、もつと大きな負荷がかけら
れ、その位置付けはあまり正確でなくても良いか
ら、部分も製造し易い。もしもその支持体があま
り堅固でなければ、ベアリングの遊びは過大にな
り過ぎ、位置付けの精度も犠牲になる。

振動変形が楕円になる管状の（ジヤーナル）ベ
アリングの電極パターンは、第９．１図乃至第
９．４図に示すように、主として４つの対称な軸
方向電極から成る。対向する電極９１及び９２
は、第９．１図及び第９．４図に示すように板状
の電極の両端に個別のワイヤか又は小さい環状の
パターンよつて接続される。電圧を与えることに
よつて生じる電界は第９．３図に示される。PZT
圧電セラミツクが外向きに一様に磁化され且つ隣
接する電極の下ではその電界が反対の極性になる
ので、そのPZT物質の歪みも、隣接する電極の下
では反対になる。即ち一方の領域では外向きに曲
げられその隣りの領域では内向きに曲げられる。
PZT／モリブデンの積層体が内向きに曲げられる
か外向きに曲げられるかは、そこに付与される電
界の向きを表わす記号とPZTの極性方向の記号と
の積に従つて変わる。第９．１図乃至第９．５図
に示すような上述の第２実施例では、そのPZT物
質は外向きの一様な極性であつて隣接する電極の
下で付与される電界の方向は、一方の電極の下の
１つの領域が内向きに曲がり、もう一方の電極の
下の領域が外向きに曲がるよう変化される。しか
しPZTの管は、異なる領域で反対向きの極性を有
しても良い。

例えば、第９．１図乃至第９．５図の前述の例
で説明したような電極パターンは、そのPZT物質
を150℃に加熱し且つ該PZT物質に20V／ミルの
電界を与えることによつて該PZT物質を不均一に
極性化させるよう使用され得る。この極性化の動
作に続き、そのPZT管の外表面全体が１つの電極
になり且つその内表面全体がもう１つの電極にな
るよう電極がかけ渡される。そのPZT物質を四半
分にしたもののうちの隣接するもの同志は、その
電界が半径方向に一様ではあつても隣接する四半
分のもの同志の極性が反対なので歪み方が異な
る。この第２実施例の極性化の別の特性としては
その装置を駆動するのに要する電圧が半分に減じ
られることである。この装置を駆動するのに必要
な電流は２倍になる。同じベアリング負荷容量を
与えるのに必要な電力の総量はいずれの実施例で
も同一である。

アルミナを有するPZTやモリブデンを有する
PZTのように全然異なる物質から成る圧電バイモ
ルフ素子を含む圧搾型ベアリングの場合は、（バ
イメタルの条片に似た）熱膨張バイモルフが存在
することを認識されたい。十分大きな範囲にわた
つて温度が変化される場合は、物理的な反りが生
じて、究極的にはベアリングの機能も果せないと
いうことが生じ得る。この問題は、必要ならバイ
モルフの両半分に対して異なる極性のPZTを使用
するか又はPZTの熱膨張率と合うような菫青石
（コージーライト）の如きセラミツクを使用する
ことによつて解決できる。

圧搾型ベアリングの設計上更に留意すべき点
は、ベアリングの表面相互間に捕えられた空気の
振動サイクル中、その圧縮期間に於いてそのベア
リング中又はそのベアリング表面上の湿気が凝縮
することから生じるベアリングの故障を回避する
ことである。そうしないと非常に湿度の高い条件
下では上記のベアリングが効果を生じない。しか
しこの問題をなすか又は出来るだけ小さくするた
めにベアリングを加熱することができる。周囲の
環境が高い湿度を含む場合もベアリングの局所に
生じる相対湿度を加熱で減らすことができる。代
替例として、そのベアリングを溶接密閉した容器
の中か又はエアコンデイシヨンなどで制御された
環境の中でそのベアリングが使用されても良い。

平坦なスラスト・ベアリングの構成 ベアリングの変換器３２用の平坦なデイスク状
の圧電セラミツクが製造者から提供される（クレ
バイト社、バーニトラン圧電素子部門、直径約
2.5cm、厚さ0.063cmのPZT―４）。そのデイスク
は、提供されたときのままでは一般に未だその平
滑度が足りない。このデイスクは両面がラツプ仕
上げされて、平滑度５μｍ、厚さ約0.05cmにされ
る。このデイスクは斯して直径1.65cmに超音波カ
ツタで切断される。

サフアイヤ、アルミナ、ムライト、SiC若しく
はモリブデンのような適合材料の平滑なデイスク
が直径が同じ、厚さもほぼ同じものが得られる。
そして、このデイスクの一方の側はベアリング面
になろう。このベアリング面は非常に平坦でなけ
ればならない。その平滑度は、光学的な基準の平
滑度及び546mmの光で測つて４波形分になる。

テスト及び実験目的から、接触（ベアリングの
故障）をモニタする為に導電性のベアリング面を
利用するのは有用である。この理由から、モリブ
デンやSICのような導電性のベアリング面のデイ
スクが使用されるか又は非導電性のデイスク（サ
フアイヤ、アルミナ、ムライト等）がその両側に
メツキされる。

PZTデイスク（及び接触感知の為もし必要なら
サフアイヤ・デイスク）はその両側にニツケルメ
ツキされる必要がある。従つて導電性の条片を形
成するためPZTデイスクの、全てではないが大部
分の縁からメツキが除去される。メツキの除去は
機械的な研磨か又は砂磨き或いはマスク技法、食
刻によつて除去され得る。更に、砂の吹付け、研
磨、又は食刻によつてそのPZTの中に上部面の電
極パターンが形成される（第４図及び第５図参
照）。その装置の共振を維持する為の帰還電極に
別の電極パターンを切出して使用しても良い。次
に、PZT及びサフアイヤ・デイスクは互いにエポ
キシ接着され、室温で焼なましされることができ
る。このエポキシは、接触感知が必要な場合に、
底部のベアリング面との電気的接触を促すよう導
電性であつても良い。もしもこの接触感知が必要
でなければ、エポキシは非導電性でも良い。

このPZT／サフアイヤ積層体への電気的な接触
と物理的な共振の節のところで行なわれる。第
２．１図乃至２．３図の共振に於ける節のところ
の直径は、デイスクの直径の68％のところにある
（0.68×1.65cm＝1.12cm……節の直径）。細いワイ
ヤをその節のところにメツキするよう半田付けす
ることによつて電気的に接続される。PZT表面上
に３点支持のマウント１８をエポキシで接着する
ことによつて物理的に装着される。この標準的な
マウント１８はそのベアリングが担持する負荷を
支持できる程度の強度と剛性を有する必要がある
が、負荷とPZT／サフアイヤ積層体との間の熱膨
張の違いが、その積層体に曲げを生じさせる程の
剛性は有しない。実際上、このことは容易に達成
される。３点支持のマウント１８は、直径0.03
cm、高さ0.05cmの脚部（３点支持の点）２２を有
するナイロン又はベスペル（Vespel）から形成
され得る。

実施例の積層体は、第１３図に示すように導電
性の光学的に平坦な面の上に置かれてテストされ
る。

テスト 発振器１７をオンに切換えてから、オツシロス
コープ４７上で電流及び電圧波形の相対的な位相
を観察すれば機械的な共振点が見つかる。共振周
波数より下の周波数では、積層体４８がコンデン
サとして作用し、その電流と電圧とは位相がずれ
る。共振点では、積層体４８は抵抗として作用
し、その電流と電圧とはその位相がほぼ同調す
る。

発振器１７の周波数（20―50KHz）は斯して共
振するよう調整される。その発振器１７の周波数
をその共振周波数に自動的に維持するため他の回
路が使用されても良い。例えば、位相を固定した
ループか又は帰還電極を用いた回路であつても良
く、電気技術者等の当業者には良く知られてい
る。発振器１７は同期用トリガ４９及び電流プロ
ーブ５０を同期させるよう接続されている。電流
プローブ５０は積層体４８へのリード線に結合さ
れている。

ベアリングとしての積層体４８の動作は、接触
感知器５１の出力をモニタすることによつて観察
できる。発振器１７の駆動電圧の振幅が増加する
と、積層体４８は急にその支持板から５乃至35μ
ｍ浮上り摩擦がなくなる。ベアリングとしての積
層体４８の摩擦がなくなるとき、導電性の平板５
２に極く微少の傾きを与えるか又は電気的なリー
ド線で極く微少量引張れば積層体４８を移動させ
ることになる。接触感知器５１がバツテリ１６の
開回路電圧を示すことになる。完全に摩擦がなく
なるという動作には不十分という中間レベルの駆
動状態のときには、積層体４８はある程度摩擦が
なくなるように見えるが、接触感知器５１は発振
器４７でモニタされる通り、積層体４８が導電性
平板５２に、多分各駆動サイクル毎に１回位は接
触していることを示すであろう。この中間位の動
作は完全に摩擦なしというのではないが、やがて
は２つの接触面の摩耗を生じて、粒子や他の摩耗
生成物を生じることになろう。圧搾ベアリングを
完全に動作させる（接触なし）のに必要な電圧及
び電力は、物質の均一性、積層体４８や導電性平
板５２の接着性、平滑度に依つて変わる。上手に
作られた積層体４８で100グラムの負荷を支持す
るために、共振周波数30KHz、Ｑ値（quality
factor）が300であり且つ3.5V rms及び10ma
rmsを必要とする。

管状ジヤーネル圧搾ベアリング ジヤーナル圧搾ベアリングである管状の変換器
７０も同様にして製造される。即ちその内管はモ
リブデン（ドリルで孔を開け、リーマでその孔を
広げ、更にラツプ仕上げされたもの）にアルミナ
でメツキしたものか又はコージーライト（切削
し、ラツプ仕上げされたもの）から出来ている。
内管の内径は直径約0.9543cm、長さ1.40cmであ
る。壁部の厚さは約0.08cmである。外管はPZT―
４であつて、内管の外径よりも25μｍ大きい内径
まで切削された、長さ1.27cmの管である。その
PZTの壁部の厚さは約0.08cmでPZTの外径を約
1.29cmにする。このPZT及び内管はメツキされ、
電極パターンは前述の例と同様に製造される（第
４図のパターン参照）。この２本の管は粘性の低
い芯型のエポキシを用いて互いに結合され、そし
てPZTの節のところと内管の外側（内管はPZTよ
りも長いのでアクセスできる）の節のところと
に、接触感知の為の電気的な接点が得られる。テ
スト並びに動作は、前述の平板の代りに直径
0.9518cmの導電性の軸を一緒に使用することを除
けば、前述のと同様である。

第１０．１図及び第１０．２図は、条帯６０の
ワイヤによつて可撓性のベリリウム銅に接続され
た磁気記録ヘツド３を担持するアマチユア４６の
左端面図と正面図とを夫々示す。磁化可能な金属
でできた基部４４は、３個の圧搾ベアリング・デ
イスク１１，１２及び１３を載置するための平坦
面として働らく。これらのデイスクはアマチユア
４６及びその巻線２４及び２５を担持している。
その巻線２４及び２５とは永久磁石４２及び４３
（第１１図参照）が協働する。その詳細について
はともに1980年12月31日に米国に特許出願され
た、Scranton氏のほかの「磁気記録デイスク用
の半強度端部極片を有する低質量アクチユエー
タ・システム（Low Mass Actuator System
for Magnetic Recording Disks with Half
Strength End Poles）」と題する米国特許第
4396966号明細書（特公昭61―22390号公報参照）
並びにGarwin氏ほかの「磁気記録デイスク用低
質量アクチユエータ・システム（Low Mass
Actuator System for Magnetic Recording
Disks）」と題する米国特許出願第221607号明細
書（特開昭57―113767号公報参照）を参照された
い。この実施例でもそれらの明細書に記載された
構成を用いている。デイスク１４及び１５と云つ
た下方の組が、基部５３の表面に載置され、これ
によつてアマチユア４６が支えられている。

第１１図は第１０．１図及び第１０．２図に示
した型のアマチユア４６を示しているが、左手前
に図示したベアリング即ち変換器は管状の変換器
７０を用い、またそれに協働するように軸７１を
用いるというように若干修正が加えられている。
しかしこれも上述の圧搾型ベアリングの一種であ
る。第４図及び第５図に示すようなマウント１８
を担持するデイスクの形態をとる変換器３２が、
アマチユア４６の、前述の管状変換器７０及び軸
７１とは反対側の端部を担持する。

第１２図は、上述の両米国特許出願明細書中に
詳細に開示されるような磁気ヘツド３及び条帯６
０を有する第１１図の装置を示す。パーマロイの
強磁性合金のデイスク５４がアマチユア２６の表
面に図示されているが、これは磁極片４２及び４
３と協働して該パーマロイを磁極片の方へ引下
げ、その支持面上の所定の位置にアマチユア４６
を保持するよう構成されている。

管状のベアリングにしても平面状のベアリング
にしてもともに積層体の変換器とそれに協働する
もう１つの部分、即ち軸又は平板とを具備する。
これらの２つの部分は両者間で摩擦を生じない。
支持されるべき負荷は積層体の変換器に取付けら
れ、それと協働する平板又は軸は構造体の静止し
た基部に装着される（第１の場合）。或いは支持
されるべき負荷が平板又は軸に取付けられ、積層
体の変換器がその構造体の静止した基部に装着さ
れる（第２の場合）。第１の場合は、変換器とそ
れに協働する電気的なリード線とが被支持物体で
ある負荷が移動するのとともに移動するが、第２
の場合は、変換器は静止している（但し動作に必
要な僅かな振動振幅は動く）。

第１４図は、上述の第２の場合の実施例を示
す。ここでは変換器７０′が、第９．１図乃至第
９．３図のところで説明したような節７２の線に
沿つて静止面８２に装着される。この節の線のと
ころには溝９５の線に沿つてワイヤが固着されて
いる。この結果、変換器７０′の中で浮いている
軸７１′に対する該変換器７０′の振動はできるだ
け抑えられている。軸７１′は上述の空気動力学
的効果によつて浮いているのである。軸７１′に
２点支持を与えるため、図示してはいないが軸７
１′の他端にももう１つのベアリングが整列して
配置されていても良い。軸７１′の図示している
端部には、この例では１組の磁気記録ヘツドが負
荷として装着されている。

第１５図も上述の第２の場合の圧搾型ベアリン
グの実施例を示す。１組のデイスク状の変換器３
２′の節の部分が支持体８１に脚部２２′を介して
固着され、該変換器３２′の上方に空気動力学的
に生じた加圧空気の上に負荷２０の平坦面が載置
される。この負荷２０は第１０図や第１１図の構
成と類似した構成で図示の双頭矢印の方向に沿い
左右に移動できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技法に従つて圧搾ベアリングを
与えるため表面の上で振動する物体を表わす図で
ある。第２．１図、第２．２図、第２．３図及び
第２．４図は、夫々が電気的なリード線を節のと
ころに装着した構成とともに、本発明に従つて積
層されたデイスク状の圧搾ベアリングの種々の状
態を示す図である。第３．１図、第３．２図、第
３．３図及び第３．４図は、夫々第２．１図、第
２．２図、第２．３図及び第２．４図の断面図を
示す図である。第４図は本発明によるデイスク状
の圧搾ベアリングを、如上の図面よりも詳細に示
した平面図である。第５図は、第４図の線５―５
に沿う断面図である。第６．１図、第６．２図及
び第６．３図は、管状の空気動力学的な圧搾ベア
リングの斜視図であつて、夫々縦に引伸ばされた
状態、休止状態及び横に引伸ばされた状態を表わ
す図である。第７．１図、第７．２図及び第７．
３図は、夫々第６．１図、第６．２図及び第６．
３図の形状に対応する一般形状を示す図である。
第７．４図は、上述の第７．１図乃至第７．３図
の形状を組合わせて、１本の管には変形しない節
の部分と他の４つのセグメントとがあることを示
す為の図である。第８．１図は、管状の圧搾ベア
リングを示す図である。第８．２図、第８．３図
及び第８．４図は、第８．１図に示す管を端部か
ら見た平面図であつて、夫々異なる変形状態を示
す図である。第９．１図、第９．２図及び第９．
３図は、夫々第６．１図、第６．２図及び第６．
３図の管に電極を付加した構成を示す図である。
第９．４図は、その電極の展開図である。第９．
５図は、導電層の間隙の両側に電界がある管の部
分断面図である。第１０．１図は、２枚のデイス
クを下に、３枚のデイスクを上に有するところの
本発明の圧搾ベアリングを、アマチユアを支持す
るように応用した磁気記録ヘツド用リニア・アク
チユエータの正面図である。第１０．２図は、第
１０．１図のアクチユエータの左側面図である。
第１１図は、管状の圧搾ベアリング及び１枚のデ
イスクのベアリングとを組合わせたデイスク・フ
アイル・ヘツド用のリニア・アクチユエータの斜
視図である。第１２図は、第１１図のアクチユエ
ータの実施例の詳細な斜視図である。第１３図
は、圧搾ベアリング用のテスト回路を示す図であ
る。第１４図は、本発明の実施例の他の構成とし
て円形の圧搾ベアリングを示す図である。第１５
図は、デイスク状の圧搾ベアリングの変形例を示
す図である。 ３……磁気記録ヘツド（第１０．１図）、１
１，１２，１３，１４，１５……（圧搾ベアリン
グ）デイスク、１８……マウント、２０……負
荷、２２，２２′……脚部、２３……エポキシ
層、２６……間隙、２７……接続用条帯、２８…
…第１電極、２９……第２電極、３２，３２′…
…（デイスク）変換器、３３……圧電体層、３４
……モリブデン層、３５……節となる円、３６，
３７……電気接点、３８，３９……リード線、４
２，４３……磁極片、４６……アマチユア、４７
……オツシロスコープ、４８……積層体、４９…
…トリガ、５０……電流プローブ、５１……接触
感知器、５２……導電性平板、７０，７０′……
（管状）変換器、７１，７１′……軸、７２……
節、８０……（異なる三角形に変形する）管状変
換器、８１……支持体、８２……静止面、９５…
…溝、９６，９７……セグメント。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 支持体と、該支持体に協働するベアリング
   と、上記支持体上で摩擦なしに運動するため上記
   ベアリングに担持された負荷と、上記ベアリング
   に内蔵され且つ磁歪材料、電歪材料又は圧電材料
   から選択された材料の変換器部材とを組合せて成
   る流体ベアリングアセンブリに於いて、 上記ベアリング用の変換器を形成するため、少
   なくとも１つの上記材料の変換器部材を２枚積層
   するか又は他の材料の部材とともに積層し、これ
   によつて上記ベアリングに与えられる付勢周波数
   で上記ベアリングが撓み又元の状態に戻るという
   振動を受けるよう改良したことを特徴とする流体
   ベアリングアセンブリ。 ２ 上記ベアリングがデイスク状であり、上記ベ
   アリングと協働する支持体が支持面であり、且つ
   上記撓みが椀状であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の流体ベアリングアセンブリ。 ３ 上記ベアリングが管状であり且つ上記支持体
   が軸であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の流体ベアリングアセンブリ。 ４ 上記ベアリングに担持される負荷は、上記ベ
   アリングの受ける振動の節の部分で上記ベアリン
   グに担持されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第３項のいずれかに記載の流体ベアリ
   ングアセンブリ。