JP2008032081A - 流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂部を有する流体軸受装置の寸法安定性、特に軸方向の寸法安定性を向上させる
【解決手段】金属部１０の外周において、樹脂部１１を軸方向に配向させた。一般に、樹脂の配向方向の寸法安定性は、配向方向と直交する方向よりも優れている。従って、このように樹脂部１１を軸方向に配向させることで、軸受部材９の軸方向の寸法安定性の向上を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ラジアル軸受隙間の潤滑膜で軸部材を回転可能に支持する流体軸受装置に関する。

流体軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ等の磁気ディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク駆動装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク駆動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、例えばファンモータなどの小型モータ用として好適に使用可能である。

この種の流体軸受装置に使用される軸受部品として、例えば特許文献１には、内孔を有する筒状の金属部（電鋳部）を樹脂でインサートモールドしたものが示されている。

特開２００３−５６５５２号公報

樹脂製の軸受部品は、軽量で低コストであるという利点が得られる一方、熱収縮等による寸法変化が大きいという問題がある。特許文献１の軸受部品は、筒状の金属部を内周に保持することにより、樹脂製の軸受部品の径方向の寸法変化を抑え、真円度及び内径寸法精度の向上を図っている。しかしながら、軸受部品の軸方向の寸法変化は避けられないため、寸法変化の差によるヒケなどが生じ、軸方向の寸法や軸受面の精度に不具合を及ぼす恐れがある。

本発明の課題は、樹脂部を有する流体軸受装置の寸法安定性、特に軸方向の寸法安定性を向上させることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、軸部材と、内周に軸部材を挿入した金属部と、金属部を内周に保持した樹脂部とを備え、軸部材の外周面と金属部の内周面との間に形成されるラジアル軸受隙間の潤滑膜で軸部材を回転可能に支持する流体軸受装置において、樹脂部が金属部の外周で軸方向に配向されていることを特徴とする。

このように、本発明では、金属部の外周の樹脂を軸方向に配向させた。一般に、樹脂の配向方向の寸法安定性は、配向方向と直交する方向よりも優れているため、このように樹脂を軸方向に配向させることで軸方向の寸法安定性の向上を図ることができる。

この樹脂部は、例えば金属部をインサート部品とした射出成型により形成することができる。この場合、射出する樹脂材料として、成型収縮時に内周面が拡径するもの（例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ））を選択すると、金属部の肉厚や金属部と樹脂部との密着性等を適宜調節することにより、樹脂の内周面の拡径に伴って金属部を拡径させることができる。これにより、金属部と金属部の内周に挿入した内型との間に積極的に隙間を形成することができ、これらの分離を容易化することができる。

以上のように、本発明によると、樹脂部を有する流体軸受装置の寸法安定性、特に軸方向の寸法安定性を向上させることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は本発明に係る流体軸受装置（動圧軸受装置）１を組み込んだファンモータ１００の縦断面図を、図２は同ファンモータ１００の平面図をそれぞれ示している。このファンモータ１００はいわゆるシロッコファンモータと呼ばれるもので、軸部材２を回転自在に支持する動圧軸受装置１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、これらを収容するケーシング６とを備え、冷却すべき部品（図１中１点鎖線で示す部品）に取り付けられる。ハブ３の内径側にはロータマグネット５が固定されると共に、その外径側には複数枚のファン（羽根）７が円周方向に亘って立設される。ケーシング６の外壁部６ａの円周方向一部領域に開口部６ｂが設けられる。この開口部６ｂは、ファンモータ１００の駆動時、外径側に送られる排気流の排気口として作用する。ケーシング６の上面６ｃには、孔６ｃ１が形成される。

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との間の励磁力でロータマグネット５が回転し、それによって、軸部材２、ハブ３、およびハブ３に取り付けられた複数枚のファン７が一体に回転する。このファン７の回転により、孔６ｄ１から吸気流が軸方向下側（図１中矢印Ｘの方向）に向けて引き込まれるとともに、外径方向（図１中矢印Ｙの方向）への気流を生じ、この気流により押し出される形で、開口部６ｂから気流Ｚが排出される。

動圧軸受装置１は、図３に示すように、軸部材２と、内周に軸部材２を挿入した軸受部材９とを主に備える。軸受部材９は、有底円筒のコップ状の金属部１０と、金属部１０を内周に保持する樹脂部１１とで構成される。軸部材２の上端部にはハブ３が固定され、樹脂部１１はケーシング６と一体に形成される。尚、説明の便宜上、軸受部材９の開口側を上側、その反対側を下側として、以下の説明を進める。

軸部材２は、ＳＵＳ鋼等の金属材料で円筒状に形成され、下端に球面状凸部２ｂを有する。軸部材２の外周面２ａと金属部１０の内周面１０ａ１との間にラジアル軸受部Ｒが形成されると共に、軸部材２の球面状凸部２ｂの先端部と金属部１０の内底面１０ｂ１との間にスラスト軸受部Ｔ（ピボット軸受）が形成される。

金属部１０は、円筒部１０ａ及び底部１０ｂからなるコップ状に形成される。金属部１０の内周面１０ａ１の横断面形状は、軸方向で一定であるとともに、大径内周面１０ａ１１及び小径内周面１０ａ１２が円周方向で交互に現れる、いわゆるステップ形状を呈する（図４参照）。このステップ形状の内周面１０ａ１は、軸部材２の回転時に、ラジアル軸受部Ｒのラジアル軸受面として機能する。

軸受部材９は、以下のようにして形成される。まず、金属部１０を、いわゆる電鋳加工により形成する。具体的には、まず、マスター軸１２を電解質溶液に浸漬した状態で通電し、マスター軸１２の外周の所定位置に金属部１０を析出させる（図５参照）。このとき、マスター軸１２の外周面１２ａに、予め金属部１０の内周面１０ａ１の形状（本実施形態ではステップ形状）に対応する成形部（図示省略）を設け、この成形部の形状を転写することにより金属部１０の内周面１０ａ１を所定の形状に成形する。このとき、マスター軸１２を高精度に加工し、外周面１２ａの表面性状を高めておくことにより、金属部１０の内周面１０ａ１の表面精度を高めることができる。

こうして形成されたマスター軸１２及び金属部１０の一体品を、図６に示す射出成型金型内に供給する。この金型は、可動型１３と固定型１４とで構成される。可動型１３には、樹脂部１１およびケーシング６を成形する成形面１３ａ、及び成形面１３ａの軸心に設けられた孔１３ｂを備える。この孔１３ｂにマスター軸１２の上端が挿入される。固定型１４には、軸受部材９及びケーシング６を成形する成形面１４ａ、及び成形面１４ａの軸心に設けられた点状の射出ゲート１６を備える。可動型１３と固定型１４とを型締めすることにより、キャビティ１５が形成される。このとき、ゲート１６は金属部１０の底部１０ｂと軸方向で対向する。このキャビティ１５に、ゲート１６を介して、溶融樹脂Ｐ’が射出される。本実施形態では、溶融樹脂Ｐ’として、例えば液晶ポリマーに強化剤として繊維状充填剤（例えば炭素繊維）を配合したものが使用される。射出された溶融樹脂Ｐ’は、金属部１０の下端角部を回り込んで、金属部１０の外周部を軸方向に流動する（図６に点線で示す）。これにより、固化後の樹脂部１１は、金属部１０の外周において軸方向の樹脂配向（図３の拡大図にＰで示す）を示す。

樹脂の固化後、金型から、金属部１０、樹脂部１１、ケーシング６、及びマスター軸１２からなる一体品を取り出す。このとき、樹脂部１１の底面１１ｂの中央部には、ゲート１６内で固化した樹脂を切断したゲート跡、あるいはこれを機械加工等で除去したゲート除去跡が形成される。

その後、金属部１０の内周面１０ａ１をマスター軸１２の外周面１２ａから剥離する。この剥離は、例えば以下のようにして行うことができる。上記のように、樹脂部１１の樹脂材料として液晶ポリマーを使用すると、樹脂の固化時の成型収縮により円筒状の樹脂部１１の内周面１１ａは拡径する。金属部１０の円筒部１０ａの肉厚や金属部１０と樹脂部１１との密着性等を適宜調節しておくと、樹脂部１１の内周面１１ａの拡径に伴って、金属部１０の円筒部１０ａが拡径する。樹脂部１１が軸方向に配向することにより、径方向の成型収縮量は比較的大きくなるため、金属部１０の円筒部１０ａの拡径量も大きくなる。この金属部１０の円筒部１０ａの拡径により、金属部１０をマスター軸１２から剥離することができる。

尚、上記の方法に加えて、成形品に軸方向の衝撃を加えると、より確実に金属部１０をマスター軸１２から剥離することができる。あるいは、マスター軸１２及び金属部１０を加熱又は冷却し、両者の熱収縮率の違いを利用して、両者を剥離することもできる。

上記のように、樹脂部１１の内周に金属部１０を配することにより、径方向の負荷に対する剛性を向上させることができる。従って、樹脂部１１が温度変化等により寸法変化しても、ラジアル軸受面の変形を抑えることができるため、ラジアル軸受隙間の隙間幅の精度が維持され、ラジアル方向の支持力の低下を回避することができる。

また、一般に樹脂は、配向方向における寸法安定性が、配向方向と直交する方向における寸法安定性よりも優れている。従って、樹脂部１１が、金属部１０の外周において軸方向の樹脂配向を示す（図３拡大図参照）ことにより、軸受部材９の軸方向の寸法安定性を向上させることができる。尚、この樹脂配向は、例えば樹脂材料に配合した繊維状充填剤（特に炭素繊維）の配向により確認することができる。また、樹脂配向の確認は、樹脂部１１のうち、配向が強く現れる金属部１０の軸方向中央部付近において行うことが好ましい。

こうして形成された軸受部材９に軸部材２を挿入し、これらの間に形成される隙間に潤滑剤として例えば潤滑油を注入することにより、動圧軸受装置１が完成する。

軸部材２が回転すると、ラジアル軸受隙間のうち、金属部１０の大径内周面１０ａ１１と軸部材２の外周面２ａとの間（幅広部）の潤滑油が、金属部１０の小径内周面１０ａ１２と軸部材２の外周面２ａとの間（幅狭部）に押し込まれることにより、圧力が高められる。この動圧作用により、軸部材２をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部Ｒが形成される。これと同時に、軸部材２の下端の球面状凸部２ｂと金属部１０の内底面１０ｂ１とでいわゆるピボット軸受を構成し、軸部材２をスラスト方向に支持するスラスト軸受部Ｔが形成される。

本発明は上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、上記実施形態と同様の構成、機能を有する箇所には同一符号を付し、説明を省略する。

図７に、本発明の第２の実施形態に係る流体軸受装置２１を示す。この流体軸受装置２１は、金属部１０の円筒部１０ａが軸方向両側に開口し、その上端から外径へ向けて伸びたフランジ部１０ｃが一体に設けられる。このフランジ部１０ｃの上側端面１０ｃ１には、例えばスパイラル形状の動圧溝が形成され（図示省略）、この動圧溝形成領域がスラスト軸受面となる。軸部材２及びハブ３が回転すると、この動圧溝が、ハブ３の下側端面３ａとフランジ部１０ｃの上側端面１０ｃ１との間に形成されるスラスト軸受隙間の潤滑油に動圧作用を発生させ、軸部材２をスラスト方向に支持する。このように、金属部１０にフランジ部１０ｃを設けることにより、軸受部材９の寸法安定性をさらに高められる。また、フランジ部１０ｃにスラスト軸受面が形成されることで、スラスト軸受面の耐摩耗性の向上が図られる。

この流体軸受装置２１において、樹脂部１１は、上記実施形態と同様に、金属部１０の円筒部１０ａの外周部で軸方向の樹脂配向を示す（図７の下側の拡大図参照）。これにより、軸受部材９の軸方向の剛性が確保されるため、スラスト軸受面の平面度及び軸方向の位置精度を良好に維持することができ、安定したスラスト負荷能力を得ることができる。さらに、樹脂部１１は、フランジ部１０ｃの下側領域で径方向の樹脂配向を示すため（図７の上側の拡大図参照）、この部分における樹脂の径方向の剛性が確保される。特に、金属部１０のフランジ部１０ｃが軸受部材９の外径端まで達していない場合、このような径方向の剛性の確保が有効となる。

以上の実施形態では、樹脂部１１の樹脂材料として液晶ポリマーを使用しているが、これに限られない。例えば、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）等の結晶性樹脂や、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の非晶性樹脂を使用することもできる。これらのような樹脂を使用した場合、樹脂部１１の内周面１１ａは、固化時の成型収縮に伴って縮径するため、樹脂部１１と金属部１０との密着強度の向上が図られる。ただし、このときの金属部１０には、樹脂部１１の縮径による圧迫力に耐えうる径方向の剛性が必要とされる。

また、以上の実施形態では、点状のゲート１６が固定型１４の成形面１４ａの軸心に設けられているが、樹脂部１１を軸方向に配向させることができる限り、ゲートの形状及び形成箇所はこれに限られない。例えば、固定型１４の成形面１４ａに、環状のゲートを形成してもよい。

また、以上の実施形態では、金属部１０が電鋳加工により形成する場合を示しているが、これに限らず、例えばプレス加工や鍛造加工で形成することもできる。また、以上では、金属部１０をインサート部品として樹脂部１１を成形しているが、これらを別体に形成した後に両者を固定してもよい。

また、以上の実施形態では、ラジアル軸受面となる金属部１０の内周面１０ａ１がステップ形状に形成される場合を示しているが、これに限られない。例えば図８に示すように、内周面１０ａ１を３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５で構成することもできる（いわゆる３円弧軸受）。３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５の曲率中心Ｏ’は、それぞれ、軸受部材９（軸部材２）の軸中心Ｏから等距離オフセットされている。３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５で区画される各領域において、ラジアル軸受隙間は、円周方向の両方向に対して、それぞれ楔状に漸次縮小した形状を有している。軸部材２が回転すると、その回転の方向に応じて、ラジアル軸受隙間の幅広部の潤滑油が、楔状に縮小した狭幅部側に押し込まれて、その圧力が上昇する。このような潤滑油の動圧作用によって、軸部材２がラジアル方向で回転自在に非接触支持される。尚、３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５の相互間の境界部に、分離溝と称される、一段深い軸方向溝を形成しても良い。

図９は、金属部１０の内周面１０ａ１が他の多円弧軸受で構成される例を示している。この例においても、金属部１０の内周面１０ａ１が、３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５で構成されているが（いわゆる３円弧軸受）、３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５で区画される各領域において、ラジアル軸受隙間は、円周方向の一方向に対して、それぞれ楔状に漸次縮小した形状を有している。このような構成の多円弧軸受は、テーパ軸受と称されることもある。また、３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５の相互間の境界部に、分離溝と称される、一段深い軸方向溝１７が形成されている。そのため、軸部材２が所定方向に相対回転すると、ラジアル軸受隙間の幅広部の潤滑油が、楔状に縮小した狭幅部側に押し込まれて、その圧力が上昇する。このような潤滑油の動圧作用によって、軸部材２がラジアル方向で回転自在に非接触支持される。

図１０は、金属部１０の内周面１０ａ１が他の多円弧軸受で構成される例を示している。この例では、図９に示す構成において、３つの円弧面１０ａ１３、１０ａ１４、１０ａ１５の狭幅部側の所定領域θが、それぞれ、軸受部材９（軸部材２）の軸中心Ｏを曲率中心とする同心の円弧で構成されている。従って、各所定領域θにおいて、ラジアル軸受隙間の隙間幅（最小隙間）は一定になる。このような構成の多円弧軸受は、テーパ・フラット軸受と称されることもある。

以上の各例における多円弧軸受は、いわゆる３円弧軸受であるが、これに限らず、いわゆる４円弧軸受、５円弧軸受、さらに６円弧以上の数の円弧面で構成された多円弧軸受を採用しても良い。

あるいは、ラジアル軸受面として、金属部１０の内周面１０ａ１に、へリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝を形成してもよい。このとき、動圧溝を軸方向に離隔した２箇所に形成すると、軸家装置のモーメント剛性を向上させることができる。

また、以上の実施形態では、スラスト軸受部Ｔが、ピボット軸受やスパイラル形状の動圧溝が形成されたスラスト軸受面で構成される場合を示しているが、これに限らず、例えばヘリングボーン形状の動圧溝や、ステップ軸受、波型軸受（ステップ軸受が波型形状となったもの）等を形成することもできる。

また、以上の実施形態では、ラジアル軸受隙間の潤滑油に動圧作用を発生させる動圧発生部が、金属部１０の内周面１０ａ１に形成される場合を示しているが、この面とラジアル軸受隙間を介して対向する軸部材２の外周面２ａに形成することもできる。また、以上の実施形態では、スラスト軸受隙間の潤滑油に動圧作用を発生させる動圧発生部が、金属部１０のフランジ部１０ｃの上側端面１０ｃ１に形成される場合を示しているが、この面とスラスト軸受隙間を介して対向するハブ３の下側端面３ａに形成することもできる。

あるいは、軸部材２の外周面２ａおよび金属部１０の内周面１０ａ１の何れも円筒面とした、いわゆる真円軸受を構成することもできる。

また、以上の実施形態では、潤滑剤として潤滑油が用いられているが、これに限らず、空気等の気体や、潤滑グリース、あるいは磁性流体等を使用してもよい。

また、本発明の軸受装置は上記のように径方向の気流を発生させるファンモータに限らず、例えば軸方向に気流を発生させるいわゆる軸流ファンなど、他のファンモータにも適用できる。また、ファンモータに限らず、光ディスクの光磁気ディスク駆動用のスピンドルモータ等、高速回転下で使用される情報機器用の小型モータ、あるいはレーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータ等における回転軸支持用としても好適に使用することができる。

動圧軸受装置１を組込んだファンモータ１００の断面図である。 動圧軸受装置１を組込んだファンモータ１００の平面図である。 動圧軸受装置１の軸方向断面図である。 動圧軸受装置１の径方向断面図である。 マスター軸１２及び金属部１０の断面図である。 樹脂部１１を成形する金型を示す断面図である。 本発明の他の実施形態を示す動圧軸受装置１の断面図である。 他の例のラジアル軸受面を示す断面図である。 他の例のラジアル軸受面を示す断面図である。 他の例のラジアル軸受面を示す断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
３ ハブ
４ ステータコイル
５ ロータマグネット
６ ケーシング
７ ファン
９ 軸受部材
１０ 金属部
１０ａ 円筒部
１０ｂ 底部
１１ 樹脂部
１２ マスター軸
１３ 可動型
１４ 固定型
１５ キャビティ
１６ ゲート
１００ ファンモータ
Ｐ 溶融樹脂
Ｒ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部

Claims (3)

1. 軸部材と、内周に軸部材を挿入した金属部と、金属部を内周に保持した樹脂部とを備え、軸部材の外周面と金属部の内周面との間に形成されるラジアル軸受隙間の潤滑膜で軸部材を回転可能に支持する流体軸受装置において、
   樹脂部が金属部の外周で軸方向に配向されていることを特徴とする流体軸受装置。
2. 樹脂部を、金属部をインサート部品とした射出成型で形成した請求項１記載の流体軸受装置。
3. 樹脂部を、成形収縮により内周面が拡径する樹脂材料で形成した請求項２記載の流体軸受装置。

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