JP2006112614A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い回転精度を維持できる動圧軸受装置を、より低コストで提供することを目的とする。
【解決手段】 ハウジング７の側部７ｂの内周面に循環溝１２を形成し、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２のスラスト軸受隙間を、循環溝１２を介して軸受スリーブ８の上側端面８ｂに連通させる。これにより軸受スリーブ８の下側端面８ｃと上側端面８ｂとの間で潤滑油を流動させることができるので、スラスト軸受隙間が極端な高圧あるいは低圧となる事態を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、動圧軸受装置に関するものである。この動圧軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク装置等のスピンドルモータ用、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、プロジェクタのカラーホイール、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなどの小型モータ用の軸受装置として好適である。

上記各種モータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化などが求められている。これらの要求性能を決定付ける構成要素の一つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年では、この種の軸受として、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受装置の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

動圧軸受装置は、装置内部を満たす潤滑流体（例えば潤滑油）により、軸部材をラジアル方向およびスラスト方向の一方または両方で高精度に非接触支持するものである。この種の動圧軸受装置には、潤滑流体の漏れを防止するためのシール空間が設けられているが、軸部材の回転中には、動圧溝による動圧作用で軸部材をスラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部の流体圧力と、シール空間での流体圧力との間に差を生じ、これが軸受性能に悪影響を与える場合がある。スラスト軸受部の流体圧力が、大気圧にほぼ等しいシール空間の流体圧力に比べて極端に高くなったり、逆に負圧になったりしないために、軸受スリーブの外周面に潤滑流体が流れる溝（循環溝）を設けたものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００３−２３２３５３号公報

しかしながら、軸受スリーブの外周に設けた循環溝は、スラスト軸受部の軸受設計に影響を及ぼすおそれがある。例えば、スラスト軸受部の動圧溝を軸受スリーブの端面に形成する場合、循環溝が軸受スリーブの外周に形成されていると、循環溝との干渉を回避するため、軸受スリーブ端面の外周縁部における動圧溝の形成が制限される。軸受スリーブの外周縁部はスラスト軸受部で最も周速が大きくなる部分であり、この部分の動圧溝が動圧作用に与える影響は無視できないから、この部分での動圧溝の形成が制限されると、必要な軸受性能を確保することが難しくなるおそれがある。

その一方では、近年の情報機器の低価格化に伴い、動圧軸受装置に対するコスト低減の要求が高まっており、高い回転性能を保持し続ける動圧軸受装置をより安価に提供する必要がある。

そこで、本発明は、高い軸受性能を長期間安定して維持できる動圧軸受装置を、より低コストで提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、有底筒状のハウジングと、ハウジングの内周に固定された軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材と、潤滑流体の動圧作用によりラジアル軸受隙間に生じた圧力で軸部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部と、潤滑流体の動圧作用によりスラスト軸受隙間に生じた圧力で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受部とを備える動圧軸受装置において、ハウジングの内周に、軸受スリーブの両端面を連通させる循環溝を形成した。

このようにスラスト軸受隙間を外気に連通させる循環溝を形成することにより、軸受の運転中にスラスト軸受隙間において潤滑流体の圧力が高まると、循環溝を通じてスラスト軸受隙間から外気側に向けて潤滑流体の流動が生じ、これによりスラスト軸受隙間における潤滑流体の圧力を下げることができる。そのため、スラスト軸受隙間において潤滑流体の圧力が高まることによる、軸部材の浮き上がりも防止される。これとは逆に、スラスト軸受隙間における潤滑流体の圧力が下がった場合も同様に循環溝を介した潤滑流体の流動で圧力差が解消されるので、局部的な負圧の発生や軸部材がハウジング底部に押し付けられることによるハウジング底部の異常摩耗といった弊害を回避することができる。

特に本発明では、循環溝をハウジングの内周に形成しているので、軸受スリーブの端面に動圧溝等の動圧発生部を形成する際にも循環溝との干渉を考慮する必要はなく、外周縁部を含めた軸受スリーブの端面全てを動圧発生部の形成領域とすることができる。従って、周速の大きい軸受スリーブ端面の外周縁部でも十分な動圧作用を得ることができ、軸受設計の容易化が低コストに達成される。

ハウジングを樹脂組成物の射出成形品とすれば、その内周に形成する循環溝をハウジングと同時に型成形することができ、低コストに循環溝を形成することが可能となる。

ところで、このようにハウジング内周に循環溝を形成した上で軸受スリーブをハウジングの内周に圧入すると、軸受スリーブ外周のうち、循環溝に対向する部分とこれ以外の部分とにおける弾塑性的な変形量の差により、軸受スリーブの内周が循環溝の数（Ｎ個）に応じた数（Ｎ個）の円弧形状に変形するおそれがある。変形が三角形状になることで楕円状や四角形状よりも剛性面で有利であることから、循環溝は円周方向の三箇所（望ましくは円周方向に等配した三箇所）に形成するのがよい。なお、軸受設計等により軸部材の動的安定性に十分な余力を確保できる場合、あるいは軸受スリーブをハウジングの内周に圧入せずに例えば接着固定する場合には、かかる観点から循環溝の数を制限する必要はない。

以上のようなハウジングを組み込んだ動圧軸受装置は、動圧軸受装置と、ロータマグネットと、ロータマグネットとの間で電磁力を生じるステータコイルとを有するモータとして、情報機器用等に好ましく用いることができる。

以上のように、本発明によれば、高い軸受性能を長期間安定して維持できる動圧軸受装置を低コストに提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る動圧軸受装置１を組込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を概念的に示している。この情報機器用スピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、動圧軸受装置１と、動圧軸受装置１の軸部材２に取り付けられたディスクハブ３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５と、ブラケット６とを備えている。ステータコイル４はブラケット６の外周に取り付けられ、ロータマグネット５は、ディスクハブ３の内周に取り付けられている。ディスクハブ３は、その外周に磁気ディスク等のディスクＤを一枚または複数枚保持する。ブラケット６の内周に動圧軸受装置１のハウジング７が装着されている。ステータコイル４に通電すると、ステータコイル４とロータマグネット５との間に発生する電磁力でロータマグネット５が回転し、それに伴ってディスクハブ３、軸部材２が回転する。

図２に示すように、本実施形態にかかる動圧軸受装置１は、一端に開口部７ａを有する有底円筒状のハウジング７と、ハウジング７の内周面に固定された円筒状の軸受スリーブ８と、軸部材２と、ハウジング７の開口部７ａに固定されたシール部材１０とを主要な構成部材として含む。なお、以下では、説明の便宜上、ハウジング７の開口部７ａを上側、これと軸方向反対側を下側として説明を行う。

軸受スリーブ８は、焼結金属からなる多孔質体、特に銅を主成分とする焼結金属に潤滑油（または潤滑グリース）を含浸させた含油焼結金属の多孔質体で円筒状に形成される。この他、中実の金属材料、例えば黄銅等の軟質金属で軸受スリーブ８を形成することもできる。軸受スリーブ８の内周面８ａには、例えば、図３に示すような上下２つの領域に離隔してヘリングボーン形状の動圧溝８ａ１、８ａ２がそれぞれ形成され、ラジアル軸受面Ａを構成する。上側のラジアル軸受面Ａでは、動圧溝８ａ１は軸方向中心ｍ（上下の傾斜溝間領域の軸方向中央）に対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心ｍより上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。そのため、軸部材２の回転時、動圧溝８ａ１による潤滑油の引き込み力（ポンピング力）は下側の対称形のラジアル軸受面Ａに比べ上側のラジアル軸受面で相対的に大きくなる。

本実施形態において、軸受スリーブ８の下側端面８ｃは、第１のスラスト軸受面Ｂとなり、このスラスト軸受面Ｂとなる領域には、例えばスパイラル形状の動圧溝（図示せず）が形成される。

軸部材２は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料で形成され、軸部２ａと、軸部２ａの下端で外径側に張り出したフランジ部２ｂとを一体または別体に有するものである。フランジ部２ｂの下側端面２ｂ２は、ハウジング７の底部７ｃの上側端面７ｃ１と対向し、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１は、軸受スリーブ８の下側端面８ｃと対向している。

ハウジング７は、両端を開口させた円筒状の側部７ｂと底部７ｃとを構成部材とする。この実施形態において、側部７ｂと底部７ｃとは別部材であり、例えば側部７ｂは樹脂組成物の射出成形により、底部７ｃは軟質金属のプレス成形により形成される。この底部７ｃを側部７ｂの下側開口部に接着・圧入またはこれを併用して取り付けることにより、一方の端部を封口した有底筒状のハウジング７が形成される。この他、ハウジング７の側部７ｂと底部７ｃとは、樹脂組成物や金属材料で一体成形することもできる。本実施形態において底部７ｃの上側端面７ｃ１は、第２のスラスト軸受面Ｃとなり、第２のスラスト軸受面Ｃとなる領域には、例えば図４に示すようなスパイラル形状の動圧溝７ｃ１１が形成される。この動圧溝７ｃ１１は、ハウジング７全体あるいは底部７ｃを射出成形やプレス成形する際に同時に形成することができる。

ハウジング７を樹脂組成物で形成する場合、そのベース樹脂には、機械的強度をはじめ、耐油性、耐吸水性、耐熱性等を考慮し、例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を使用することができる。

ハウジング７の開口部７ａの内周面には、金属材料や樹脂組成物で形成された環状のシール部材１０が、例えば圧入、接着等の手段で固定される。シール部材１０で密封された動圧軸受装置１の内部空間には、潤滑油が充満される。シール部材１０の内周面１０ａは、軸部２ａの外周面２ａ１に設けられたテーパ面２ａ２と所定のシール空間Ｓを介して対向する。軸部２ａのテーパ面２ａ２は上側に向かって漸次縮径しており、軸部材２の回転により遠心力シールとしても機能する。この状態では、潤滑油の油面はシール空間Ｓの範囲内に維持される。

上記構成の動圧軸受装置１において、軸受スリーブ８の内周面８ａに離隔成形されたラジアル軸受面Ａは、それぞれ軸部材２の軸部２ａの外周面とラジアル軸受隙間を介して対向する。軸部材２の回転に伴い、ラジアル軸受面Ａに形成した動圧溝８ａ１と８ａ２により各ラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧作用が発生し、その圧力によって軸部材２がラジアル方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持する第１のラジアル軸受部Ｒ１と第２のラジアル軸受部Ｒ２とが形成される。

また、軸受スリーブ８の下側端面８ｃに形成された第１スラスト軸受面Ｂと、ハウジング７の底部材７ｃの上側端面７ｃ１に形成された第２スラスト軸受面Ｃは、それぞれ軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間の第１スラスト軸受隙間、下側端面２ｂ２との間の第２スラスト軸受隙間を介して対向する。軸部材２の回転に伴い、各スラスト軸受面Ｂ、Ｃに形成した動圧溝により両スラスト軸受隙間に潤滑油の動圧作用が発生し、その圧力によって軸部材２がスラスト方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をスラスト両方向に回転自在に非接触支持する第１のスラスト軸受部Ｔ１および第２のスラスト軸受部Ｔ２が形成される。

本発明では、ハウジング７の側部７ｂの内周面に、軸受スリーブ８の上側端面８ｂと下側端面８ｃとを連通させるための循環溝１２が形成される。この循環溝１２は、ハウジング７の底部７ｃの上側端面７ｃ１からシール部材１０の下側端面１０ｂに相当する位置にかけて軸方向に形成され、好ましくは上述の理由から円周方向に等配した三箇所に形成される。図示のように、循環溝１２の下端は第２のスラスト軸受部Ｔ２の外径側に配置する他、第１のスラスト軸受部Ｔ１の外径側に配置しても良い。ハウジング７を樹脂の射出成形品とする場合、循環溝１２は射出成形と同時に成形することができ、これにより循環溝１２を低コストに形成することが可能となる。

軸受スリーブ８の上側端面８ｂとシール部材１０の下側端面１０ｂとの間には、循環溝１２の上端をラジアル軸受面上部の動圧溝８ａ１に接続する半径方向溝１３が接続される。図２では、シール部材１０の下側端面１０ｂに半径方向溝１３を形成する場合を例示しているが、この半径方向溝１３は軸受スリーブ８の上側端面８ｂに形成することもできる。また、同図では、循環溝１２と半径方向溝１３の円周方向位置を一致させているが、二つの溝１２、１３は、軸受スリーブ８の外周チャンファ８ｅとハウジング側部７ｂの内周面との間の環状空間を介して連通しているので、二つの溝１２、１３の円周方向位置を異ならせても構わない。

以上の構成により、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２の各スラスト軸受隙間は、それぞれ潤滑油で満たされた循環溝１２、半径方向溝１３を介してラジアル軸受面上部の動圧溝８ａ１と連通状態となる。

この動圧軸受装置１では、何らかの理由で軸受の運転中にスラスト軸受隙間に満たされた油の圧力が極端に大きくなる場合がある。このようにスラスト軸受隙間の油圧が大きくなった場合でも、循環溝１２および半径方向溝１３を通じてスラスト軸受隙間がほぼ大気圧に保たれたシール空間Ｓに通じているため、スラスト軸受隙間から軸受スリーブ８の上側端面８ｂ、さらに上側端面８ｂとシール空間Ｓとの境界部に向けて潤滑油の流動が生じる。このため、スラスト軸受隙間の圧力は、ほぼ大気圧に等しくなり、過大圧力による軸部材２の浮き上がりを防止することができる。特に本実施形態では、図３に示すように上側のラジアル軸受面Ａを軸方向中心ｍに対して軸方向で非対称形状としているので、ラジアル軸受面Ａを通して下向きのポンピング能力が高まり、スラスト軸受隙間の油圧も大気圧より大きくなる。シール空間Ｓの圧力はほぼ大気圧に等しいため、循環溝１２および半径方向溝１３を通じてスラスト軸受隙間から軸受スリーブ８の上側端面８ｂとシール空間Ｓとの境界に向けて潤滑油の流動が生じ、これと同様の流れが繰り返し発生する。すなわち定常的な循環流れが生じ、軸受内部の油圧は常に安定して大気圧よりも高く保たれる。これとは逆に、スラスト軸受隙間における潤滑流体の圧力が何らかの理由で下がった場合でも、スラスト軸受隙間の圧力はほぼ大気圧に等しくなり、局部的な負圧の発生や、軸部材２のフランジ部２ｂがハウジング７の底部７ｃに押し付けられることによるハウジング底部７ｃの異常摩耗といった弊害を回避することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、図５に示すような動圧軸受装置２１においても好ましく用いることができる。なお、以下の説明では、基本的に図２に示す実施形態と同一機能を有する部材および要素には共通の参照番号を付して重複説明を省略する。

図５は、他の実施形態に係る動圧軸受装置２１を示している。この実施形態に係る動圧軸受装置２１が、図２における動圧軸受装置１と異なる点は、ハウジング７の側部７ｂの上端内周面にシール部７ｄが一体に成形されている点である。このように別部材であったものを一体成形することで、部品点数の削減および組立工数の削減を通じて動圧軸受装置の低コスト化を図ることができる。

なお、以上の説明では、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２およびスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２、Ｔとして、へリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝を用いて動圧作用を発生させる場合を例示しているが、動圧発生部の構成はこれに限定されるものではなく、例えばラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、多円弧軸受、ステップ軸受、テーパ軸受、テーパ・フラット軸受等を使用することもでき、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として、ステップ・ポケット軸受、テーパ・ポケット軸受、テーパ・フラット軸受等を使用することもできる。例えばラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２を多円弧軸受で構成する場合、軸受スリーブ７内周のラジアル軸受面Ａおよび軸部材２の外周面の何れか一方が多円弧面で形成され、各円弧面とこれに対向する面との間の間のラジアル軸受隙間は、回転方向に縮小するくさび状の隙間となる。

また、以上の説明では、潤滑流体として潤滑油を使用する場合を説明したが、磁性流体やエア等の他の潤滑流体を使用する場合にも本発明を適用することができる。さらに図２では、動圧溝を有するスラスト軸受面Ｂ、Ｃを軸受スリーブ８の下側端面８ｃおよびハウジング底部７ｃの上側端面７ｃ１に形成する場合を例示したが、これらスラスト軸受面Ｂ、Ｃの何れか一方または双方をフランジ部の上側端面２ｂ１や下側端面２ｂ２に形成することもできる。

動圧軸受装置を組み込んだスピンドルモータの一例を示す断面図である。 本発明の構成を有する動圧軸受装置の断面図である。 軸受スリーブの断面図である。 図２のＸ−Ｘ線断面をＹ方向から見た図である。 動圧軸受装置の他の形態を示す断面図である。

符号の説明

１、２１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 軸部
２ｂ フランジ部
４ ステータコイル
５ ロータマグネット
６ ブラケット
７ ハウジング
８ 軸受スリーブ
１０ シール部材
１２ 循環溝
１３ 半径方向溝
Ａ ラジアル軸受面
Ｂ、Ｃ スラスト軸受面
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部

Claims (4)

1. 有底筒状のハウジングと、ハウジングの内周に固定された軸受スリーブと、軸受スリーブの内周に挿入された軸部材と、潤滑流体の動圧作用によりラジアル軸受隙間に生じた圧力で軸部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部と、潤滑流体の動圧作用によりスラスト軸受隙間に生じた圧力で軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受部とを備える動圧軸受装置において、
   ハウジングの内周に、軸受スリーブの両端面を連通させる循環溝を形成したことを特徴とする動圧軸受装置。
2. ハウジングを樹脂組成物の射出成形品とした請求項１に記載の動圧軸受装置。
3. 循環溝を円周方向の三箇所に形成した請求項１又は２の何れかに記載の動圧軸受装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の動圧軸受装置と、ロータマグネットと、ロータマグネットとの間で電磁力を生じるステータコイルとを有することを特徴とするモータ。

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