CN100458197C - 动力轴承装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提高在高温下在推动方向上的轴承刚度，以及减小在低温下的扭矩。轴向部件(2)安置的方式是轴向部分(2a)的外周表面与轴承套筒的内周表面相对，其间设有间隙，凸缘部分(2b)的两个端面(2b1)和(2b2)与轴承套筒的一个端面和壳体的底面，其间分别设置推力轴承间隙。以这样的方式，轴向部件(2)以非接触的方式通过在推力方向上各轴承间隙中所产生的动压力支撑。轴承部件(2)的凸缘部分由树脂形成，且其轴向方向上的线性膨胀系数等于或者大于壳体(7)的线性膨胀系数。
Description
技术领域
本发明涉及动力轴承装置。本发明的动力轴承装置适于用在例如信息设备用的主轴电动机中，激光束打印机(LBP)的多边形扫描仪电动机中，投影仪的色轮中，和诸如轴流式风扇的电子设备用的小电动机中，其中所述信息设备包括诸如HDD或者FDD的磁盘装置、用于CD-ROM、CD-R/RW或者DVD-ROM/RAM的光盘装置、以及用于MD或者MO的磁光盘装置。
背景技术
动力轴承通过在轴承内的间隙中产生的流体动压力以非接触的方式支撑轴向部件。使用这样的动力轴承的轴承装置(此后称为动力轴承装置)通常分类为接触类型和非接触。在接触类型中，径向轴承部分由动力轴承形成，而推力轴承部分由枢轴承形成。在非接触类型中，径向轴承部分和推力轴承部分都由动力轴承形成。这两种类型的轴承装置用于适应它们的应用。
非接触类型的示例性动力轴承装置在本申请的申请人提出的日本专利公开No.2000-291648中公开。此动力轴承装置具有T形轴向部件，T形轴向部件包括轴向部分和凸缘部分，所述轴向部分和凸缘部分集成为一个单元以减小成本和改进精度。
[专利公开1]日本专利未审查公开No.2000-291648
传统上，在许多情况下，考虑到耐磨性，具有凸缘部分的轴向部件由不锈钢形成，同时考虑到可加工性，壳体由黄铜形成。在这些情况下，当温度增加时，轴向方向上的热膨胀量在黄铜形成的壳体内大于在不锈钢所形成的凸缘部分内，因为黄铜具有比不锈钢更大的线性膨胀系数。在通常的动力轴承装置中，由于流体(油)的粘性在高温下降低，特别是在推力方向上轴承刚性的减小是个问题。当壳体的线性膨胀系数大于凸缘部分的线性膨胀系数时，推力方向上的轴承刚性进一步减小。这是因为推力轴承中的间隙的宽度在高温时变得更大。另一方面，在低温下，电机扭矩随着流体粘性的增加而增加。上述详细膨胀系数之间的差异作用来增加电动机的扭矩。如上所述，传统的结构的缺点在于凸缘部分和壳体之间的热膨胀量的差异作用以协助在高温和低温时的前述问题。
有鉴于上述的情况，本发明的目的是增加高温下推力方向上的轴承刚度，减小低温下的扭矩。
发明内容
为了实现上述目的，根据本发明，动力轴承装置包括：壳体；固定到壳体的内周表面的轴承套筒；轴向部件，所述轴向部件包括插入轴承套筒的内周的轴向部分以及朝向轴向部分的外径延伸出的凸缘部分；以及推力轴承部分，用于在推力方向上以非接触的方式通过在推力轴承部分内的间隙中产生的流体动压力作用支撑轴向部件，所述间隙面向凸缘部分，其中凸缘部分由树脂形成并且在轴向方向上的线性膨胀系数等于或者大于壳体在轴向方向上的线性膨胀系数。
如上所述，通过将轴向方向上的凸缘部分的线性膨胀系数设置的等于或者大于壳体在轴向方向上的线性膨胀系数，由于树脂形成的凸缘部分的热膨胀，推力轴承间隙在高温下而变得更小。这样，可以抑制高温下推力方向上的轴承刚度的减小。另一方面，在低温下，由于轴向方向上的热膨胀量的差异，推力轴承间隙而变得更大。这样，可以抑制低温下电动机扭矩的增加。
树脂的线性膨胀系数可以通过改变与树脂混合的填料(包括诸如碳纤维、导电材料和其它添加剂的增强材料)的量而自由改变。这样，在凸缘部分由树脂形成的情况下，即使当具有不同线性膨胀系数的不同材料用作壳体的材料，凸缘部分的轴向方向上的线性膨胀系数可以通过改变与其混合的填料量而适于前述条件。
为了保证轴向部件的传导性，有利地，用导电树脂形成凸缘部分，所述导电树脂具有106Ω·cm或者更小的体积电阻率。
具体而言，在壳体由树脂形成的情况下，形成凸缘部分的树脂的线性膨胀系数被设置为落入2×10-5至9×10-5/℃的范围之内。在壳体由黄铜形成的情况下，形成凸缘部分的树脂的线性膨胀系数被设置为落入2×10-5至5×10-5/℃的范围内。
在上述的结构中，轴向部件可以具有其中轴向部分的外周由中空圆柱形金属材料形成以及轴向部分的芯部和凸缘部分由树脂彼此一体形成的结构。通过由金属材料形成轴向部分的外周，就可以保证用于轴向部件需要的强度和刚度，以及轴向部分相对于由烧结金属等形成的金属轴承套筒的耐磨性。而且，由于轴向部件的许多部分(轴向部分的芯部和凸缘部分)由树脂形成，轴向部件的重量可以减小。这样，当轴向部件与其它轴承部件(轴承套筒、壳体的底部等)碰撞时就可以减小冲击载荷并避免由于撞击所导致的破裂或者损坏的产生。此外，由于凸缘部分由树脂形成并具有较小的滑动摩擦，就可以减小凸缘部分和其它面向凸缘部分的轴承部件之间的摩擦系数。
包括前述动力轴承装置、转子磁铁和定子线圈的电动机在高温下具有较高的推力支承刚性，在低温下具有较低的扭矩，以及也具有较低成本的特征。
附图说明
图1是包括根据本发明的动力轴承装置、用于信息设备的主轴电动机的剖视图；
图2是动力轴承装置的剖视图；
图3是轴承套筒的剖视图；
图4(a)和(b)分别是轴向部件的凸缘部分的俯视图和其仰视图；以及
图5是根据本发明的另一实施例的动力轴承装置的剖视图。
具体实施方式
本发明的实施例将在此后参照图1-5进行说明。
图1显示了用于信息设备的主轴电动机的示例性结构，其中安装了根据本发明的实施例的动力轴承装置1。此主轴电动机用于诸如HDD的盘驱动装置中，并包括：以非接触方式支撑轴向部件2以自由可旋转的动力轴承装置1；盘毂3，所述盘毂3连接到轴向部件2；以及定子线圈4和转子磁铁5，所述定子线圈4和转子磁铁5安置的彼此相对，在径向方向上其间设有间隙。定子线圈4连接到支架6的外周，转子磁铁5连接到盘毂3的内周。动力轴承装置1的壳体7通过例如粘结固定到支架6的内周。盘毂3保持诸如磁盘的一个或者多个盘D。当电流施加到定子线圈4，转子磁铁5通过定子线圈4和转子磁铁5之间的激励力旋转，这样盘毂3和轴向部件2作为一个单元旋转。
图2显示了根据本发明的一个实施例的动力轴承装置1。动力轴承装置1主要包括在一端具有开口7a以及在另外一端具有底部7c的圆柱形壳体7；固定到壳体7的内周表面的圆柱形轴承套筒8；包括轴向部分2a和凸缘部分2b的轴向部件2；以及固定到壳体7的开口7a的密封部件10。在下述的说明中，朝向壳体7的开口7a的方向称为向上的方向，同时朝向壳体7的底部7c的方向称为向下方向。
壳体7例如由黄铜的软金属材料形成，并具有圆柱形侧部7b和盘状底部7c，所述圆柱形侧部7b和盘状底部7c彼此成一体。
轴承套筒8由烧结金属形成，具体而言，所述烧结金属是用油浸渍的烧结金属。在轴承套筒8的内周表面8a上，用于产生动压力、且每个用作径向轴承表面的两个动压力产生槽区域被设置为彼此轴向分离。
如图3所示，上部径向轴承表面具有多个箭尾形的动压力产生槽8a1和8a2。在此径向轴承表面上，动压力产生槽8a1(即图3中的上部动压力产生槽)在轴向方向上的长度大于动压力产生槽8a2的长度，所述动压力产生槽8a2是下部动压力产生槽并在朝向与动压力产生槽8a1的倾斜方向相反的方向倾斜。这样，动压力产生槽8a1和8a2相对于轴向方向不对称。相似地，下部径向轴承表面具有箭尾形的多个动压力产生槽8a3和8a4。朝向轴向方向的一侧倾斜的动压力产生槽8a3被安置为与在轴向方向上朝着轴向方向的另一侧倾斜的动压力产生槽8a4远离。但是，在此实施例中，动压力产生槽8a3和8a4在轴向方向上的长度相同，并因此相对于轴向方向对称，这与上部径向轴承表面上的动压力产生槽8a1和8a2不同。上部径向轴承表面在轴向方向上的长度(动压力产生槽8a1的上端和动压力产生槽8a2的下端之间的距离)大于下部径向轴承表面(动压力产生槽8a3的上端和动压力产生槽8a4的下端之间的距离)在轴向方向上的长度。径向轴承间隙9a和9b形成在轴承套筒8的内周表面上和与它们相对的轴向部分2a的外周表面上的上部和下部径向轴承表面之间。
通常，在相对于轴向方向倾斜的诸如箭尾形的槽的动压力产生槽内，产生了在轴向方向上牵引油的作用，同时操作轴承。这样，在本实施例中，动压力产生槽8a1-8a4用作油牵引部分。由这些油牵引部分8a1-8a4牵引到径向轴承间隙9a、9b内的油在分别布置在动压力产生槽8a1和8a2之间以及动压力产生槽8a3和8a4之间的平滑部分n1、n2附近被收集，以形成在周向方向上连续的油层。
此时，已经填充在轴向部分2a的外周表面和轴承套筒8的内周表面8a之间的间隙中的油由于上部径向轴承表面的非对称性以及上部径向轴承表面和下部径向轴承表面之间的轴向长度的差异而作为整体被向下推动。为了向上带回已经推下的油，轴承套筒8的外周表面8d设有环形槽11，所述环形槽11在轴承套筒8的两端面8b、8c开口。此圆形槽可以形成在壳体的内周表面7d上。
如图2所示，作为密封装置的密封部件10是环形部件，并通过压配合、粘结等紧固到壳体7的开口7a的内周表面。在此实施例中，密封部件10的内周表面以这样的方式形成为锥形，即其内周表面的直径向上变大。凸起部分10a在径向方向上的最内位置形成在密封部件10的下端面上。凸起部分10a的端面与轴承套筒8的上端面8b接触。除了凸起部分10a之外的密封部件的下端面相对于轴承套筒8的上端面8b处于非接触状态。
在密封部件的锥形内周表面和与其相对的轴向部分2a的外周表面之间形成朝向壳体7的上部部分逐渐膨胀的锥形密封空间S。用密封部件10密封的壳体7内的空间填充润滑油。壳体内的各间隙，即，轴向部分2a的外周表面和轴承套筒8的内周表面8a(包括径向轴承间隙9a、9b)之间的间隙，轴承套筒8的下端面8c和凸缘部分2b的上端面2b1之间的间隙，以及凸缘部分的下端面2b2和壳体7的内底面7c1(壳体7的底部)之间的间隙，填充润滑油。油表面位于密封空间S内。
轴向部件2的轴向部分2a插入轴承套筒8的内周表面8a。凸缘部分2b容纳在轴承套筒8的下端面8c和壳体7的内底面7c1之间的空间内。轴承套筒8的内周表面8a上的上部和下部径向轴承表面与轴向部分2a的外周表面相对，其间设置径向轴承间隙9a、9b，并分别形成第一径向轴承部分R1和第二径向轴承部分R2。
如图2所示，轴向部件2具有树脂部件21和金属部件22的组合结构。轴向部分2a的芯部和整个凸缘部分2b通过树脂部件21形成为一个单元，同时轴向部分2a的外周在其整个长度上由中空圆柱形金属部件22覆盖。作为用于树脂部件21的材料，可以使用诸如尼龙66、LCP和PES的热塑树脂。如果必要，容纳增强材料等的填料与上述的基树脂材料混合。作为用于金属部件22的材料，具有良好耐磨性的金属、诸如不锈钢可以被使用。在电动机的一些应用中，考虑到材料和所需的清洁性之间关系，禁止包含Si元素的材料的使用。这样，在这样的情况下，当用于树脂部件21的材料被制备时，必须选择不包含Si元素的材料。例如，作为增强材料，不使用玻璃纤维。作为代替，使用碳纤维或者其它类型的不包含Si的增强材料。
为了防止树脂部件21和金属部件22彼此分开，在轴向部件的轴向部分2a的下端上(在图2中的左部内)，金属部件的端部嵌入凸缘部分2b内。另一方面，在轴向部分2a的上端上，金属部件22和树脂部件21通过接合部分轴向接合。在所示的示例中，作为示例性接合部分、具有向上变大的直径的锥形表面22b用于接合它们。为了防止金属部件22旋转，有利地，通过滚花等，在嵌入凸缘部分2b内的金属部件22的端部的外周或者边缘上设置在周向方向上与凸缘部分2b接合的半凸半凹的接合部分。
轴向部件2例如通过将金属部件22作为插入件通过树脂的注射模塑法(嵌件成型)制造。在嵌件成型的情况下，就可以用较低的成本大规模制造轴向部件2同时通过增加模具的精度和将作为插入件的金属部件用很高的精度定位在模具之内保证所需的精度。此外，轴向部分2a和凸缘部分2b的组装与上述的模制同时完成。这样，与其中轴向部分和凸缘部分由金属单独形成、然后通过压配合等一体形成为一个单元的情况相比，在后者的工艺中，可以减小必要的工艺的数目。这样，成本可以进一步减小。为了改良模制精度，有利地，在注射模塑法过程中模具中树脂的流动方向可以与轴向部件2的轴向方向一致。
在凸缘部分2b的两个端面2b1、2b2上，形成每个都用作产生动压力的推力轴承表面的动压力产生槽区域。在推力轴承表面上，例如形成如图4(a)、(b)中所示的多个螺旋状的动压力产生槽23、24。这些动压力产生槽23、24与凸缘部分2b的注射模塑同时模制。形成在凸缘部分2b的上端面2b1上的推力轴承表面与轴承套筒8的下端面8c相对，其间夹有推力轴承间隙，这样形成第一推力轴承部分T1。形成在凸缘部分2b的下端面2b2上的推力轴承表面与壳体的底部7c的内底面7c1相对，其间夹有推力轴承间隙，这样形成第二推力轴承部分T2。凸缘部分2b的厚度(轴向方向上的宽度)是0.5-1.0毫米，以及两个推力轴承间隙的总的宽度落入18±5微米的范围内。
根据上述结构，当轴向部件2和轴承套筒8彼此相对旋转，即，当轴向部件2在本实施例中旋转时，润滑油的动压力在径向轴承部分R1、R2内通过如上所述的动压力产生槽8a1-8a4的作用在径向轴承间隙9a、9b内产生。这样，轴向部件2的轴向部分2a以非接触的方式由形成在各径向轴承间隙内的润滑油层支撑。同时，润滑油的动压力在两个推力轴承部分T1、T2内通过动压力产生槽23、24的作用在各推力轴承间隙内产生，这样轴向部件2的凸缘部分2b以非接触的方式由形成在各径向轴承间隙内的各润滑油层支撑，以在两个推力方向上可自由旋转。
在本发明中，树脂制成的凸缘部分2b的轴向方向(即，树脂MD的流动方向)上的线性膨胀系数设置的等于或者大于面向凸缘部分2b的外径的壳体侧部7b的线性膨胀系数。(在下述的说明中，径向方向上的线性膨胀系数简称为“线性膨胀系数”)这样，在高温下在径向方向上凸缘部分2b的热膨胀量变得等于或者大于壳体7的热膨胀量，这样推力轴承间隙变小。因此，就可以抑制由于润滑油的粘性的减小所导致的在推力方向上轴承刚性的减小。相反，在低温下，推力轴承间隙由于轴向方向上的热膨胀的差异而变得大。因此，就可以在低温下抑制电动机扭矩的增加。
凸缘部分2b的适当的线性膨胀系数的合理范围根据用于壳体7的材料而变化。在本实施例中使用黄铜壳体的情况下，例如，树脂材料的选择方式是其线性膨胀系数是2×10-5/℃或者更大，因为该范围内的线性膨胀系数比黄铜的线性膨胀系数更大。在此情况下，如果树脂和黄铜之间的线性膨胀系数的差异太大，可能会遇到一些麻烦，例如推力轴承间隙的宽度过分小。这样，有利地，树脂的线性膨胀系数是5×10-5/℃或者更小。
壳体7可以由树脂形成，以代替诸如黄铜的软金属。在此情况下，形成凸缘部分2b的树脂的线性膨胀系数根据形成壳体的树脂的线性膨胀系数被设置的等于或者大于形成壳体的树脂的线性膨胀系数。具体而言，凸缘部分2b由具有落入从2×10-5至9×10-5/℃的范围之内的线性膨胀系数的树脂材料模制。在这种情况下，壳体7可以由与凸缘部分2b相同类型的树脂材料，或者与凸缘部分2b不同的树脂材料所形成。
如上所述，根据用于壳体7的材料，必须变化用于凸缘部分2b的树脂的线性膨胀系数。但是，对于树脂材料，其线性膨胀系数可以通过改变与树脂混合的填料的量设置到给定的值。这样，根据用于壳体7的材料，可以很容易获得具有最佳线性膨胀系数的树脂材料。
当选择用于凸缘部分2b的树脂材料时，必须不仅考虑线性膨胀系数而且由于下述原因必须考虑模具收缩系数。在流动方向(MD)和垂直方向(TD)之间的模具收缩系数差异太大的情况下，在固化之后在凸缘部分2b内发生翘曲，因此推力轴承部分的轴承性能不能稳定地实现。根据本发明的发明人的检查，发现当流动方向和垂直方向之间的模具收缩系数的差异是0.3％或者更小时，这样的翘曲的问题不会发生，并可以实现稳定的轴承性能。在本实施例的轴向部件2内，轴向方向与流动方向一致，同时径向方向与垂直方向一致，如上所述。因此，上述条件可以通过将凸缘部分2b的轴向方向和径向方向之间的模具收缩系数的差异设置为0.3％或者更小来满足。
此外，在此类型的动压力轴承装置中，通过与空气的摩擦在磁盘等上产生静电。在凸缘部分2b由绝缘树脂形成的情况下，此静电不能逃逸并可能导致诸如在磁盘和磁头之间产生电势差或者由于静电放电所导致的外围设备的损坏问题。为了防止这样的问题，有利地，不但增强材料而且诸如碳的导电材料与形成凸缘部分2b的树脂材料混合，这样树脂材料的体积电阻率为106Ω·cm或者更小。在壳体7由树脂形成的情况下，有利地使用相似的导电树脂。
满足前述物理性能的树脂材料的示例包括通过将作为基材料树脂的62wt％(重量百分比)(78.7vol％(体积百分比))的PES(Sumitomo ChemicalCo.，Ltd.，PES-3600P)与作为增强材料的10wt％(5.8vol％)的硼酸铝晶须(Shikoku Kasei Corp.，ALBOREX Y)，作为无机微粒的碳酸钡20wt％(7.7vol％)(Sakai Chemical Industry Co.，Ltd.，BW-P)，以及8wt％(7.7vol％)的导电碳(KETJENBLACK，EC-6)混合所获得的复合材料。
对于此树脂材料，MD和TD上的线性膨胀系数分别是0.6和2.6[×10-5/℃]，体积电阻率是2.5×105[Ω·cm]。这样，可以满足前述的物理性能。
图5显示了本发明的另一实施例。此实施例与图2中所示的实施例不同在于壳体7的底部7c’与侧部7b形成为单独的部件，且密封装置10’与壳体7作为一个单元一体形成。形成壳体7的底部7c’的部件通过压配合、粘结等被紧固到壳体侧部7b的下端上的开口。在此部件7c’上表面的外周边上，形成轴向凸起部分7c2。通过使凸起部分7c2的上端与轴承套筒8的下端面接触，限定了推力轴承间隙的宽度。在壳体侧部7b的上端上，形成轭流部分7g。轭流部分7g的内周表面和轴向部分2a的外周表面形成密封装置10’。在此实施例中，与如图2所示实施例中所获得的效果相同的效果也可以通过将形成凸缘部分2b的树脂在轴向方向上的线性膨胀系数设置的等于或者大于壳体7的线性膨胀系数来实现(特别地，面向凸缘部分2b外周的底部部件7c’的凸起部分7c2)。
除了上述之外，本实施例与图2所示的实施例具有相同或者相似的结构和效果。这样，在两个实施例中具有相同的功能/结构的部分用相同的表示表示，并省略冗余的说明。
Claims (7)
1.一种动力轴承装置，包括：
壳体；
固定到壳体的内周表面的轴承套筒；
轴向部件，所述轴向部件包括插入轴承套筒的内周的轴向部分和朝向轴向部分的外径延伸出的凸缘部分；以及
推力轴承部分，所述推力轴承部分用于通过在推力轴承部分内的间隙中产生的流体的动压力的作用在推力方向上以非接触的方式支撑轴向部件，所述间隙面向凸缘部分，
其特征在于：与所述轴承套筒的端面相接触并且面向凸缘部分的外周的凸起部分设置在壳体中，
凸缘部分由树脂形成并且凸缘部分在轴向方向上的线性膨胀系数等于或者大于在轴向方向上的凸起部分的线性膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的动力轴承装置，
其中凸缘部分由具有106Ω·cm或者更小的体积电阻率的导电树脂形成。
3.根据权利要求1或2所述的动力轴承装置，其中：
所述壳体由树脂形成；以及
形成凸缘部分的树脂的线性膨胀系数被设置为落入2×10-5至9×10- 5/℃的范围之内。
4.根据权利要求1或2所述的动力轴承装置，其中：
所述壳体由黄铜形成；以及
形成凸缘部分的树脂的线性膨胀系数被设置落入从2×10-5至5×10- 5/℃的范围内。
5.根据权利要求1所述的动力轴承装置，其中：
轴向部件的轴向部分的外周由中空圆柱形金属材料形成并且轴向部分的芯部和凸缘部分由树脂彼此一体形成。
6.一种电动机，包括：
根据权利要求1所述的动力轴承装置；
转子磁铁；以及
定子线圈。
7.根据权利要求1所述的动力轴承装置，其中所述凸缘部分的轴向和径向之间的模具收缩系数的差异设置为0.3％或者更小。
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