CN100365298C - 动压轴承装置 - Google Patents

Abstract

一种动压轴承装置，其包括：轴元件的动压面，轴承元件的动压面，充满在动压轴承部分的轴承空间中的润滑流体，该轴承空间包括所述动压面之间的间隙；动压产生装置，其用于施压从而润滑流体产生动压，该动压以相对于轴承元件可旋转的方式和与轴承元件非接触的方式支撑所述轴元件；以及具有耐磨性的滑动表面层，其设置在所述轴元件的动压面和所述轴承元件的动压面中的至少一个上。所述滑动表面层由树脂润滑膜构成，该树脂润滑膜中分散有许多固体润滑材料颗粒，并且构成包括在所述滑动表面层中的所述固体润滑材料的颗粒的最大直径小于所述动压轴承部分的轴承空间的最小间隙尺寸。

Description

动压轴承装置

技术领域

本发明涉及一种动压轴承装置，该动压轴承装置通过轴承元件利用润滑流体的动压来支撑轴元件。

背景技术

近年来，动压轴承装置一直在发展，动压轴承装置是这样一种类型的轴承，其在各种旋转驱动装置中使得旋转元件能以高精度且高速地旋转。动压轴承使用润滑流体的动压来支撑旋转轴。动压轴承装置包括轴元件的动压面和轴承元件的动压面，它们布置成彼此相对并且在径向或者轴向上接近。在这两个相对的动压面之间，形成有径向动压轴承部分或推力动压轴承部分的轴承空间。适合的润滑流体充满在该轴承空间中，以及适合的包括人字形槽的动压产生装置在润滑流体中产生动压。产生的动压用于通过轴承元件以相关的旋转方式非接触地支撑轴元件。

在这种动压轴承装置中，轴元件在开始或停止旋转时暂时地与轴承元件接触。因此，为每个元件的动压面提供了用于提高耐磨性的方法。例如，在日本未审专利公报No.2001-289243中，轴元件和轴承元件二者之中的一个或两个动压面设置了具有耐磨性的滑动表面层。这样的滑动表面层由包括薄金属板的复合材料制成，该薄金属板作为其上覆盖有包含锌或锡的基板，复合材料覆盖有固体润滑材料，该固体润滑材料包含碳氟树脂、石墨或二硫化钼、如氧化铝的陶瓷、或如铝青铜合金或锰青铜的铜类材料。而且，上述提到的薄金属板由铜或铜类材料制成。

然而，在包括滑动表面层的动压轴承装置的该结构中(该滑动表面层具有对轴元件或轴承元件动压面的耐磨性)会存在这样的情况，即，经过长时间的使用滑动表面层会逐渐地从表面上脱落。在这种情况下，来自滑动表面层的颗粒将悬浮在动压轴承部分的轴承空间中。如果悬浮的颗粒在轴元件和轴承元件之间被捕获，则动压面可能被损坏，这样动压将降低并且可能发生旋转锁定状态。

发明内容

本发明的目的是提供这样一种动压轴承装置，即使在滑动表面层有一些脱落的情况下，其也能通过轴承元件长时间地支撑轴元件。

根据本发明的一个方面，提供了这样一种动压轴承装置，其包括：轴元件的动压面，轴承元件的动压面，充满在动压轴承部分的轴承空间中的润滑流体，该轴承空间包括所述动压面之间的间隙；动压产生装置，其用于施压从而润滑流体产生动压，该动压以相对于轴承元件可旋转的方式和与轴承元件非接触的方式支撑所述轴元件；以及具有耐磨性的滑动表面层，其设置在所述轴元件的动压面和所述轴承元件的动压面中的至少一个上。所述滑动表面层由树脂润滑膜构成，该树脂润滑膜中分散有许多固体润滑材料颗粒，并且构成包括在所述滑动表面层中的所述固体润滑材料的颗粒的最大直径小于所述动压轴承部分的轴承空间的最小间隙尺寸。

根据这种结构，即使部分滑动表面层在动压轴承空间中剥落，剥落的滑动表面层颗粒也不会在轴承空间的间隙中被捕获，这是因为颗粒的直径比轴承空间的最小间隙尺寸小。这里，“轴承空间的最小间隙尺寸”是指旋转时轴元件和轴承元件之间的最小间隙尺寸。更具体地，它被定义成这样，即，当轴元件的轴向中心与轴承元件的轴向中心重合时，在轴元件和轴承元件两者之间的沿径向的最小间隙尺寸。

在本发明的第二方面的优先实施例中，固体润滑材料具有分裂的特性。

根据这种结构，从滑动表面层剥落的固体润滑材料的颗粒呈薄鳞状悬浮在润滑流体中。当压力施加到润滑流体上时，滑动表面层颗粒的薄鳞布置成这样，即，薄鳞的厚度方向与径向对应。结果，滑动表面层的颗粒确定地不会在轴元件和轴承元件之间被捕获。因此，颗粒的平稳悬浮状态能被保持，这样提高了该装置的安全性。

在本发明的第三方面的优选实施例中，动压轴承部分由径向动压轴承部分和推力动压轴承部分中的至少一个构成。因此，本发明能以同样的方式应用于径向和推力动压轴承部分。

在本发明的第四方面的优选实施例中，径向动压轴承部分和推力动压轴承部分形成为具有相互连续的轴承空间。

根据这种结构，润滑流体能被同时喷射入径向动压轴承部分和推力动压轴承部分，从而简化安装工序。另一方面，推力动压轴承部分旋转时具有相对较大的轴承空间的间隙尺寸，从推力动压轴承部分的滑动表面层剥落的颗粒能进入具有较小间隙尺寸的径向动压轴承部分的轴承空间中。但是，由于滑动表面层的颗粒具有小于轴承空间的间隙尺寸的直径，所以滑动表面层的颗粒不会在间隙中被捕获。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的、用于具有动压轴承装置的硬盘驱动装置的轴旋转类型的主轴电机的剖面图。

图2是表示固体润滑材料的颗粒直径分布的曲线图，该固体润滑材料构成了在图1硬盘驱动装置主轴电机中使用的动压轴承装置的滑动表面层。

图3是表示图2中所示的固体润滑材料的颗粒直径分布的表格。

图4是表示构成参考例中的滑动表面层的固体润滑材料的颗粒直径分布的曲线图。

图5是表示图4中所示的固体润滑材料的颗粒直径分布的表格。

图6是表示构成另一参考例中的滑动表面层的固体润滑材料的颗粒直径分布的曲线图。

图7是表示图6中所示的固体润滑材料的颗粒直径分布的表格。

图8是根据本发明的另一实施例的、用于具有动压轴承装置的硬盘驱动装置的轴旋转类型的主轴电机的剖面图。

具体实施方式

以下将结合附图详细描述本发明的实施例。在描述之前，首先将概括解释用于硬盘驱动装置(HDD)的主轴电机，该主轴电机将作为一个采用根据本发明的动压轴承装置的例子。在该实施例中的主轴电机用于2.5英寸HDD。

图1中示出的用于HDD的轴旋转类型的主轴电机的一般结构包括：作为固定元件的定子单元10，以及作为旋转元件的转子单元20，该转子单元从图1中的上侧与定子单元10连接。定子单元10具有固定框架11，该固定框架11通过螺钉与固定基座(未示出)固定。该固定框架11由铝类金属材料制成，从而减轻重量。环形轴承保持器12形成为立在固定框架11的基本中央部分处，轴承套13通过压力配合工序或冷缩配合工序与轴承保持器12配合，该轴承套13具有中空圆柱形状并作为动压轴承元件。该轴承套13由铜类材料(如磷青铜)制成，从而可以容易地形成小孔。

此外，定子芯14为层压的电磁铁并与轴承保持器12的外围连接表面相连，驱动线圈15绕定子芯14的凸极缠绕。

此外，构成转子单元20的旋转轴21插入到轴承套13的中心孔中，该轴承套13作为可旋转方式的动压轴承元件。也就是说，轴承套13的内表面的动压面与在径向邻近的旋转轴21的外表面的动压面相对。两个径向动压轴承部分RB和RB以在轴向隔开适当距离的方式形成在轴承空间中，该轴承空间包括位于两动压面之间的微小间隙。更具体地，在径向动压轴承部分RB中的轴承套13的动压面和旋转轴21的动压面设置成通过数微米的微小间隙以圆周方式彼此面对。润滑流体(例如润滑油或磁性流体)被喷射进入包括微小间隙的轴承空间，从而在轴向上连续。

此外，轴承套13和旋转轴21的动压面中的一个或两个设置有径向动压产生槽，该动压产生槽具有例如人字形，该动压产生槽形成为环形地分为两部分。通过旋转，该径向动压产生槽起到泵的作用并向润滑流体(未示)施压，从而产生动压。该润滑流体的动压以非接触的状态在径向上朝着轴承套13支撑旋转轴21和旋转毂22(将在下面说明)。

另一方面，旋转毂22与旋转轴21构成转子单元20，旋转毂22由基本为杯形的元件制成，该杯形元件由铁类的不锈钢制成。示出的旋转轴21的上部通过压力配合工序或冷缩配合工序装配在连接孔中，该连接孔设置在旋转毂22的中央部分。旋转毂22具有基本为圆柱形的主干部分22b和盘状台22c，该主干部分22b在外围部分上保持记录介质盘例如磁盘(未示出)，该盘状台22c从主干部分22b沿径向向外延伸，从而在轴向支撑记录介质盘。记录介质盘通过夹持器(未示)固定，该夹持器从图1中的上侧部分放置并用螺丝拧紧，从而向下压记录介质盘。

此外，环形驱动磁铁22e通过由磁性材料制成的环形轭22d与旋转毂22的主干部分22b的内壁面相连。环形驱动磁铁22e的内圆面设置成面向并接近定子芯14的凸极部分的外端表面。环形驱动磁铁22e的下端面在轴向上位于与磁性吸引板23相对的位置上，该磁性吸引板23在轴向上与固定框架11相连。元件22e和23之间的磁性吸引力使得整个上述旋转毂22被磁性吸引，从而得到稳定的旋转状态。而且，该实施例设计成这样，即转子单元20的重量和上述磁性吸引力之和为100克或更小。

此外，在图1中的轴承套13的下端设有开口部分，该开口部分由盖13a封闭，因此在上述径向动压轴承部分RB中的润滑流体不会向外泄漏。

而且，图1中的轴承套13的上端面和旋转毂22的中心部分的下端面设置成在轴向上相互面对且相互接近。轴承套13的上端面和旋转毂22的下端面之间的轴承空间设有从径向轴承部分RB开始连续的推力动压轴承部分SB。即，在轴承套13的上端面和旋转毂22的下端面之一或两者之上形成有螺旋形或人字形的推力动压产生槽。包括推力动压产生槽的、在轴向上的相对部分为推力动压轴承部分SB。

轴承套13的上端面的动压面和旋转毂22的下端面的动压面彼此相对和接近并构成了推力动压轴承部分SB，这两个动压面设置成彼此面对且在旋转时在轴向相隔数微米。诸如润滑油和磁性流体的润滑流体从径向动压轴承部分RB供给，从而连续填满旋转时具有微小间隙的轴承空间。通过上述推力动压产生槽的泵吸作用，润滑流体受压从而产生动压。旋转轴21和旋转毂22以非接触状态浮动在推力方向上的方式由润滑流体的动压支撑。

本实施例中的推力动压轴承部分SB布置在这样一个位置，该位置与轴承空间的最外侧对应，该轴承空间包括旋转毂22的下端面和轴承套13的上端面之间的间隙，从而也作为泵吸装置工作，用于沿径向对润滑流体向内施压，润滑流体存在于轴承空间的整个部分中，该轴承空间包括轴承空间最外部分的推力动压轴承部分SB。

此外，由毛细管密封部分24构成的流体密封部分由作为动压轴承元件的轴承套13的最外壁面限定。即，作为流体密封部分的毛细管密封部分24从在径向上包括推力动压轴承部分SB的轴承空间的外侧开始连续。轴承套13的外壁面和环25的内壁面限定毛细管密封部分24，该环25作为液滴止挡件并形成为在径向与轴承套13的外壁面相对。环25由固定于凸缘部分22f的环状元件构成，该凸缘部分22f设置在旋转毂22上。环25的内壁面和轴承套13的外壁面之间的间隙朝着图1中下侧的开口部分连续地增大，从而限定了锥形的密封空间。然后，在推力动压轴承部分SB中的润滑流体被连续地供给到毛细管密封部分24。

此外，图1中的轴承套13的上部沿径向向外延伸，从而形成液滴止挡轴环部分13b。轴环部分13b的一部分与环25的一部分在轴向上相对。通过轴环部分13b和环25，防止了旋转毂22在轴向上的脱落。

具有耐磨性的滑动表面层26通过涂覆工艺或其他工艺形成为在平面上的一层膜，该平面包括构成推力动压轴承部分SB(参见图1中的交叉线部分)的旋转毂22的下端面的动压面。该滑动表面层26由树脂润滑膜制成，在该树脂润滑膜中分散有由许多颗粒制成的固体润滑材料。作为在本实施例中的固体润滑材料，采用了具有分裂特性的一种材料，例如石墨或二硫化钼，即采用具有表面层能以薄膜剥落的特性的材料。

包括在滑动表面层26中的固体润滑材料的颗粒的最大直径设置成小于在径向动压轴承部分RB中的轴承空间的最小间隙尺寸。在图2和图3的例子中，在径向动压轴承部分RB中的间隙大约是一侧3微米，同时使用由二硫化钼颗粒制成的固体润滑材料。颗粒的平均直径为1.132微米，98％的颗粒的直径最大到2.667微米。

这里，轴承空间的最小间隙尺寸是指：在旋转轴21的轴线中心与轴承套13的轴线中心重合时，旋转轴21和轴承套13之间在径向上在径向动压轴承部分RB上的间隙的最小尺寸。而且，如图1所示，当沿轴向观看截面时，旋转轴21和轴承套13之间沿旋转轴21径向在两侧都会产生间隙。但是，这里的径向间隙是指在两侧中的一侧的间隙，而不是两个间隙的总和。

这里，可能发生这样的情况，即设置于推力动压轴承部分SB的滑动表面层26仅有一部分剥落并悬浮在推力动压轴承部分SB的轴承空间中。由于旋转时推力动压轴承部分SB中的间隙较大，所以这种情况几乎不会成为问题。但是，如果滑动表面层26的剥落颗粒从具有较大间隙尺寸的推力动压轴承部分SB移动到具有较小间隙尺寸的径向动压轴承部分RB的轴承空间中，则会以在传统结构中同样的方式发生颗粒被捕获在小间隙中的现象。但是，根据具有上述结构的本实施例，由于颗粒的直径小于在径向动压轴承部分RB中的轴承空间的最小间隙尺寸，滑动表面层26的剥落颗粒不会被捕获在轴承空间的间隙中。因此，能保持平稳的旋转状态，从而极大延长了轴承的寿命。

特别是，由于固体润滑材料具有分裂的特性，该固体润滑材料构成在根据本实施例的动压轴承装置中的滑动表面层26，所以从滑动表面层26剥落的固体润滑材料的颗粒以薄鳞片的形式悬浮在润滑流体中。当压力施加到包括滑动表面层的颗粒的薄鳞片的润滑流体上时，这些颗粒的薄鳞片被布置成这样，即薄鳞片的厚度方向对应于径向。结果是，滑动表面层的颗粒确定不会被捕获在旋转轴21和轴承套13之间。因此，可以维持颗粒的平稳的悬浮状态，从而提高装置的安全性。

此外，考虑到推力动压轴承部分SB的耐磨性，需要包括在滑动表面层26中的固定润滑材料的颗粒的直径较大。但是，在本实施例的情况下，主轴电机具有较轻的旋转元件的重量，这是因为转子单元20的重量与环形驱动磁铁22e和磁性吸引板23之间的磁吸力之和为100克或者更小。与具有更重的旋转元件的主轴电机相比，在这种情况下推力动压轴承部分SB的磨损进程就非常缓慢。因此，当将包括在滑动表面层26中的固体润滑材料的颗粒的最大直径设定成小于在径向动压轴承部分RB中的轴承空间的最小间隙尺寸时，耐磨性的问题就不会产生，这样对于具有较轻旋转元件的主轴电机来说，就可以获得上述的效果。

与之相反，在图4和图5中示出的参考例中，使用的是由平均直径为2.348微米的二硫化钼颗粒制成的固体润滑材料。但是，这些颗粒中仅有70％的直径小于2.990微米。在图6和图7示出的参考例中，固体润滑材料由平均直径为4.716微米的石墨颗粒制成，并且仅有20％的直径小于2.988微米。已证实，与上述实施例不同，在这些参考例中不能获得需要的轴承寿命。

也就是说，使用HDD主轴电机进行了寿命试验，该主轴电机采用了包括有由根据图2和3中示出的例子的固体润滑材料制成的滑动表面层26的推力动压轴承部分SB。试验的结果是，不会因为从滑动表面层26上剥落的固体润滑材料的颗粒而发生HDD主轴电机停止的现象。与此相反，当采用包括有由根据图4和5中示出的参考例的固体润滑材料制成的滑动表面层26的推力动压轴承部分时，由于固体润滑材料的剥落颗粒，HDD主轴电机在旋转67.5个小时之后停止。而且，当采用包括有由根据图6和7中示出的参考例的固体润滑材料制成的滑动表面层26的推力动压轴承部分时，由于固体润滑材料的剥落颗粒，HDD主轴电机在旋转67个小时之后停止。

下面，将参考图8描述另一个实施例，其中，对于对应于上述实施例中的元件，使用相同的标号。在图8中示出的实施例中，作为液滴止挡件的盘状止推板31与旋转轴21的下端部相连。在止推板31的上表面上形成有推力动压轴承部分SB1，同时在止推板31的下表面形成有推力动压轴承部分SB2。即，推力动压轴承部分SB1形成在止推板31的上表面与轴承套13的相对表面之间的轴承空间中，轴承套13的相对表面与止推板31的上表面相对并接近。而且，平衡板(counter plate)32设置成沿轴向与止推板31的下表面相对并接近，且平衡板32被固定，从而在其下端部处封闭轴承套13的开口部分。推力动压轴承部分SB2形成在包括止推板31和平衡板32之间的间隙的轴承空间中。

在这个实施例中，也可以与前述实施例相同的方式为推力动压轴承部分SB1和SB2的每个动压面设置滑动表面层，从而获得与前述实施例相同的效果。

尽管本发明基于上述这些实施例进行了详细的描述，但是本发明并不限于这些实施例。在本发明的范围内，可以修改实施例的结构。

例如，尽管在上述实施例中滑动表面层26设置于旋转毂22，但是滑动表面层26也可设置于轴承套13的下端面的动压面侧。还有，它也可以设置于每个元件。

本发明应用于具有轴承空间的动压轴承装置，其中在上述实施例中，推力动压轴承部分和径向动压轴承部分在该轴承空间是连续的。但是本发明也可以应用于这样的推力动压轴承装置，其中推力动压轴承部分和径向动压轴承部分相互独立。

而且，尽管在上述实施例中，在推力动压轴承装置SB形成有其中分布有固体润滑材料的树脂润滑膜，但是也可以在径向动压轴承部分形成固体润滑膜。

此外，本发明能应用于使用空气作为润滑流体的动压轴承装置，而不限于如上述实施例中的使用油或磁性流体作为润滑流体的动压轴承装置。

此外，尽管本发明在上述实施例中应用于HDD主轴电机，但是本发明还能应用于其它各种动压轴承装置。

Claims (4)

1.一种动压轴承装置，其包括：

轴元件的动压面；

轴承元件的动压面；

充满在动压轴承部分的轴承空间中的润滑流体，该轴承空间包括所述动压面之间的间隙；

动压产生装置，其用于施压从而润滑流体产生动压，该动压以相对于轴承元件可旋转的方式和与轴承元件非接触的方式支撑所述轴元件；以及

具有耐磨性的滑动表面层，其设置在所述轴元件的动压面和所述轴承元件的动压面中的至少一个上；其中，

所述滑动表面层由树脂润滑膜构成，该树脂润滑膜中分散有许多固体润滑材料颗粒，并且

构成包括在所述滑动表面层中的所述固体润滑材料的颗粒的最大直径小于所述动压轴承部分的轴承空间的最小间隙尺寸。

2.根据权利要求1所述的动压轴承装置，其特征在于，所述固体润滑材料具有分裂的特性。

3.根据权利要求1所述的动压轴承装置，其特征在于，所述动压轴承部分由径向动压轴承部分和推力动压轴承部分中的至少一个构成。

4.根据权利要求3所述的动压轴承装置，其特征在于，所述径向动压轴承部分和推力动压轴承部分形成为具有彼此连续的轴承空间。

Images