CN100480527C - 动压轴承组件 - Google Patents

Abstract

通过将轴向侧的轴承间隙规定在适当范围内而在不过大受到伴随使用环境温度的变动的润滑油粘性摩擦的影响而充分发挥动压效果，并且可确保旋转轴的平稳的起动性。在以轴承的外径为D、以轴承的轴方向长度为L、以旋转轴和轴承之间的径向侧间隙为C、与凸缘对置的轴承端面的倾斜量为δ的情况下，满足“L/D＜C/δ”。倾斜量δ为2～6μm，轴承(20)的内径为1～3mm，径向侧的间隙C为1～4μm是优选的具体尺寸例。

Description

动压轴承组件

技术领域

本发明涉及在旋转轴的旋转中令向轴承和旋转轴之间的间隙中供给的润滑油产生成为高压的动压，通过润滑油的动压在非接触的状态下支承旋转轴的径向和轴向双方的载荷这一类型的动压轴承组件。本发明的动压轴承组件适合于作为主轴马达的轴承组件，该主轴马达用作进行磁盘或光盘的读写的盘驱动装置的驱动源或激光打印机的多边形马达等的各种信息设备的驱动用马达。

背景技术

在这种信息设备用主轴马达中，为了实现记录的高密度化或数据的传送速度的高速化，需要高速且高精度的旋转性能，在制作这些特性优异的马达时，近年来广泛地采用非接触型的动压轴承作为支承旋转轴的轴承。动压轴承是下述轴承，即，向旋转轴和轴承之间的微小间隙中供给润滑油而形成油膜，通过旋转轴旋转而产生的润滑油的动压令该油膜高压化而以高刚性支承旋转轴，在旋转轴和轴承的相互的滑动面的一方上形成动压发生用的槽(动压槽)而可有效地得到该动压。

主轴马达的轴承构成为除了支承通常的径向载荷外，还支承轴向载荷。轴向载荷构成为，令与旋转轴一体地设置的凸缘与轴承端面可滑接地对置，并经由凸缘而由轴承的端面承受旋转轴的轴向载荷。上述动压在轴向侧以及径向侧的双方产生，即，在相互对置的旋转轴的凸缘和轴承端面的任意一方上形成轴向动压槽，在轴承的内周面和与该内周面对置的旋转轴的外周面的任意一方上形成径向动压槽。这些动压槽在形状或深度上设计为使润滑油的油膜随着旋转轴的旋转而变为高压，例如，一般为随着朝向旋转轴的旋转方向而令宽度或深度变小的楔形等。

但是，形成有油膜的旋转轴和轴承之间的间隙(轴承间隙)，从油压易于变为高压、且提高轴承刚性的观点出发，希望其尽可能的小。换言之，轴承间隙的管理或者控制左右着轴承的性能。根据例如特开2005-188753号公报所述的发明，将轴承端面的垂直度以及平面度规定为既定值以下，并由此令径向侧以及轴向侧的轴承间隙适当化。

若轴承间隙增大，则油膜压力降低，动压不能变为足够大，表示出轴承刚性降低的倾向，且伴随着主轴马达的连续动作的高温化(例如60℃左右)促进润滑油的粘度的降低，而使轴承刚性不足变得显著。因此，如上述文献所述那样，令轴承间隙在既定值以下尽可能小的设计是有效的，但相反，若轴承间隙过小，则由于润滑油的粘性摩擦增大，马达变得难以起动，即产生旋转轴难以从静止状态开始旋转的弊病。特别是，旋转轴停止时，在由于重力而使凸缘欲与轴承端面密接的轴向侧，易引起这样的起动障碍，此外，在使用环境温度低于例如0℃以下的情况下，担心由于润滑油的粘性摩擦的增大而导致不能起动的情况。此外，由于笔记本电脑(个人计算机)等的兼用电池电源型的携带型设备的主轴马达的起动扭矩小，所以从起动性观点出发也存在轴承间隙微小化的限制。

另一方面，在由于从旋转轴的凸缘承受轴向载荷的轴承端面的垂直度的精度低而导致旋转轴的倾斜量大的情况下，由于凸缘模仿该轴承端面而与其抵接，旋转轴倾斜而与轴承的内周面接触，导致摩擦的增大而带来起动性的障碍。此外，在凸缘与轴承为不同材料的情况下，由于热膨胀差而使间隙进一步变小，由于间隙小而产生的上述问题更加显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动压轴承组件，抑制旋转轴的倾斜量而防止旋转轴与轴承的内周面接触，并通过将轴向侧的轴承间隙规定在适当范围内而充分发挥动压效果，不过大地受到伴随着使用环境温度的变动的对润滑油粘性摩擦的影响，并且可确保旋转轴的顺畅的起动性。

本发明是通过由轴承端面承受旋转轴具有的凸缘而对旋转轴的轴向载荷进行支承的类型的动压轴承组件，其中，潜心研究了旋转轴的轴主体与轴承的内周面接触的条件，着眼于与凸缘接触而促进旋转轴的倾斜的轴承端面的倾斜量、与插入轴承中的旋转轴的轴主体与轴承的内周面之间的径向侧的间隙的关系，发现：在以轴承的外径为D、以轴承的轴方向长度为L、以旋转轴和轴承之间的径向侧间隙为C、与凸缘对置的轴承端面的倾斜量为δ的情况下，在满足L/D<C/δ的情况下，轴主体不与轴承的内周面接触，并且可降低在轴向侧的轴承间隙中产生的粘性摩擦。

本发明的动压轴承组件是基于上述认知而提出的，具有在圆柱状的轴主体上设置有凸缘的旋转轴、和旋转自如地插入有该旋转轴的轴主体且具有在该状态下与凸缘对置的轴承端面的圆筒状的轴承，在凸缘和轴承端面的相互的对置面的任意一方上形成轴向动压槽，在轴承的内周面和与该内周面对置的轴主体的外周面的任意一方上形成径向动压槽，向形成在旋转轴和轴承之间的间隙中供给润滑油，若旋转轴旋转，则在供给到轴向动压槽以及径向动压槽中的润滑油中产生动压，旋转轴在与轴承为非接触的状态下由动压在轴向以及径向上支承，其特征在于，在将轴承的外径设为D、轴方向长度设为L、旋转轴和轴承之间的径向侧间隙设为C、与凸缘对置的轴承端面的倾斜量设为δ的情况下，满足L/D<C/δ。

根据本发明，通过满足上述式子，即便旋转轴由于旋转轴的凸缘与轴承端面抵接而倾斜，轴主体也不会与轴承的内周面接触。在例如L/D＝1的情况下，若相对于径向侧的间隙C而将轴承端面的倾斜量δ设定为C的同等以下，则即便凸缘沿着轴承端面的倾斜面而相抵接，轴主体与之对应而倾斜，也可避免轴主体与轴承的内周面的接触。在L/D＝0.2的情况下，即便δ为C的几倍，轴主体也不会与轴承接触。通常，在这种轴承中，若L/D为0.5左右，C为1～4μm左右，则只要将轴承端面加工为δ在8μm以下即可。

此外，起动时的摩擦扭矩与供给到径向侧以及轴向侧的轴承间隙中的润滑油的粘性摩擦相等，在该情况下，关于轴向侧的轴承间隙，凸缘或轴承端面的加工精度越高，则轴向侧的轴承间隙越小，由此，旋转轴的轴主体不与轴承的内周面接触。但是，在轴向侧的轴承间隙为1μm左右时粘性摩擦显著增大且导致起动性的降低。因此，产生轴向侧的轴承间隙的轴承端面的倾斜量δ为2～6μm较合适。

在本发明中，轴承的材料从易于形成轴向动压槽或径向动压槽的观点出发，优选使用对压缩成形原料的金属粉末而得到的成形体进行烧结后的烧结金属。这些动压槽可通过压印加工等的塑性加工而容易地形成。

根据本发明，具有下述效果，即，通过令与旋转轴的凸缘抵接的轴承端面的倾斜量和径向侧的轴承间隙、与轴承的外径以及轴方向长度相关联而规定为最佳的条件，可提供旋转轴不与轴承的内周面接触，并且即便在高温或者低温的状况下也可发挥充分的动压效果和起动性的动压轴承组件。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的动压轴承组件的纵剖视图。

图2是作为图1所示的动压轴承组件的构成要素的轴承的俯视图。

图3是该轴承的横剖视图。

图4是旋转轴为上浮状态下的动压轴承组件的纵剖视图。

图5是表示将旋转轴插入轴承前后的状态的纵剖视图。

图6是表示在实施例中测定的旋转轴的上浮量与轴承端面的倾斜量的关系的曲线图。

图7是表示在实施例中测定的旋转轴的起动扭矩与轴承端面的倾斜量的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的一实施方式。

图1表示一实施方式的动压轴承组件1的纵截面，图2是轴承的俯视图，图3是轴承的横剖视图。该动压轴承组件1是适合于磁记录盘驱动装置的主轴马达的轴承组件，用附图标记20表示的圆筒状的轴承的外径是φ6mm左右的小型外径，旋转自如地支承插入到轴孔21中的直径φ3mm左右的旋转轴2。

如图1所示，动压轴承组件1包括：向图中的上方开口的有底圆筒状的壳体10；收容在壳体10内的轴承20；旋转自如地支承在轴承20上的旋转轴30。壳体10包括：圆筒状的壳主体11、和通过电子束或激光等焊接方法固定在壳主体11的下侧的开口内周缘上且气密地堵住该开口的圆盘状的底板12。轴承20压入壳主体11内，或通过焊接、粘结等方法在嵌入的状态下固定在壳体10内。

旋转轴30，在轴主体31上一体地固定环状的凸缘32，都由黄铜或不锈钢等的熔炼材料形成。凸缘32卡止于形成在轴主体31的外周面上的阶梯部31a，由此进行轴方向的定位。轴主体31以阶梯部31a为界分为大直径部31b和小直径部31c，从图中上方向轴承20的轴孔21中插入大直径部31b，令凸缘32与轴承20的上端面22对置。旋转轴30的径向载荷由轴承20的内周面23支承，旋转轴30的轴向载荷由轴承20的上端面22支承。

在轴承20的内周面23和轴主体31的外周面之间，以及在轴承20的上端面22和凸缘32的下表面32a之间，分别是径向侧的轴承间隙41、轴向侧的轴承间隙42，向这些间隙41、42中供给润滑油。径向侧的轴承间隙41设定为1～3μm左右，轴向侧的间隙42如后所述设定为2～6μm左右。

在壳体10的开口端部上固定由环状的板材构成的盖部件13。通过该盖部件13抑制上述润滑油的飞散，并且由于轴向动压而上浮的旋转轴30的凸缘32与盖部件13抵接而防止旋转轴30的脱落。

如图2所示，在轴承20的上端面22上，在周向上隔着相等的间隔形成多个螺旋槽24，这些螺旋槽24随着朝向旋转轴30的旋转方向R而一边向内周侧弯曲一边延伸(图2中为了与上端面22区别而画有斜线)。这些螺旋槽24的外周侧的端部在外周面上开口，但内周侧的端部不在内周面23上开口而封闭。螺旋槽24形成10根左右(图2中为12根)，此外，最大深度为10μm左右。

此外，如图3所示，在轴承20的轴孔21的内周面23上，在周方向上隔着相等的间隔形成多个分离槽25，这些分离槽25截面为半圆弧状且在遍及两端面之间地沿着轴方向笔直地延伸。而且，在内周面23的各分离槽25之间形成偏心槽26，该偏心槽26的截面形状为相对于轴承20的外径的轴心P偏心，且随着朝向用箭头R表示的旋转轴30的旋转方向而向内周侧缩径。该情况下，在图示例中分别形成5个分离槽25以及偏心槽26，但这些槽可为3～6个的适宜的个数。

偏心槽26的内表面和旋转轴30的外周面之间的微小间隙形成为，随着朝向旋转轴30的旋转方向而逐渐变小的截面楔形。分离槽25的宽度为，用以图3所示的动压轴承20的轴心P为中心的周方向的角度表示，相当于8～20°的长度，此外，其最大深度为0.10mm左右。

本实施方式的轴承20是对压缩成形原料的金属粉末后的成形体进行烧结后的烧结轴承。由于为烧结轴承，可容易地通过塑性加工而形成螺旋槽24、分离槽25以及偏心槽26。例如，在形成轴承20的内周面23时，可通过将可形成分离槽25以及偏心槽26的阳型销压入烧结轴承的材料的轴孔中而形成。此外，将形成有可形成该螺旋槽24的多个凸部的冲头刻印在烧结轴承20的材料的端面上，由此可形成螺旋槽24。由于烧结轴承为多孔质，所以弹性变形回复量少，可通过塑性加工而高尺寸精度地形成螺旋槽24、分离槽25以及偏心槽26。

作为烧结轴承的原料粉末，优选使用下述原料粉末：像例如铁：40～60wt％、铜：40～60wt％、锡：1～5wt％的合金粉末这样，铁粉和铜粉大致等量且另外含有数wt％的锡粉的原料粉末.若为这样的组成，则除了可得到以加工性良好的铜为主成分的烧结件的特性之外，还可由于含有较多铁而提高强度，进而，由于含有锡，可更加提高对于旋转轴30的磨合性以及塑性加工性。因此，可通过上述塑性加工而容易地形成螺旋槽24、分离槽25以及偏心槽26，而且可降低摩擦系数而提高耐磨耗性。

轴承20含浸润滑油而为含油轴承。而且，若插入到轴孔21中的旋转轴30向图2以及图3所示的箭头R方向旋转，则向内周面23的各分离槽25中渗出且存储的润滑油被高效地卷入旋转轴30而浸入到偏心槽26和旋转轴30之间的楔形的微小间隙中，并形成油膜。进入到该微小间隙中的润滑油，借助在微小间隙的狭小侧流动而产生楔紧效果，变为高压，产生高的径向动压。这样，油膜高压化的部分，与偏心槽26对应而在圆周方向上隔着相等的间隔而产生，并由此平衡性好且高刚性地支承旋转轴30的径向载荷。

另一方面，润滑油也渗出并储存在形成在轴承20的上端面22上的螺旋槽24内，该润滑油的一部分借助旋转轴30的旋转而从螺旋槽24内出来，在上端面22和凸缘32之间形成油膜。此外，保持在螺旋槽24内的润滑油从螺旋槽24内的外周侧向内周侧流动，并在内周侧的端部产生最高压化的轴向动压。而且，由于凸缘32承受该轴向动压，轴承30如图4所示变为稍微上浮的状态，由此可平衡性好且高刚性地支承轴向载荷。

旋转轴30的上浮量，在驱动磁记录盘旋转时，在温度为60℃左右时需要为6μm以上。此外，径向侧的轴承间隙41已述为1～3μm左右，这个数值是为了将旋转轴30的轴振动抑制在μm甚至次μm以下。特别是为了保证对磁记录盘的记录的高密度化，需要将NRRO值(非重复振动值)抑制在0.05μm以下，因此，旋转轴30的上浮性、径向、轴向双方中的轴承刚性非常重要。

在本实施方式的动压轴承组件1中，通过切削加工等而对旋转轴30的凸缘32的下表面32a以相对于轴主体31的轴方向的垂直度为1μm精度来实施加工。另一方面，与该凸缘32的下表面32a对置的轴承20的上端面22如图1以及图5所示，稍向一个方向倾斜。而且，在该动压轴承组件1中，在以其上端面22的倾斜量为δ的情况下，轴承20的外径D、轴承20的轴方向长度L、旋转轴30的轴主体31的大直径部31b和轴承20的内周面23之间的径向侧的间隙C(图1中为附图标记41)的关系满足：“L/D<C/δ”。具体而言，轴承20的内径为φ1～3mm左右，轴承20的外径D以及轴承20的轴方向长度L为任意值，该情况下，将轴承20的上端面22的倾斜量δ设定为2～6μm，径向侧的间隙C设定为1～3μm。

根据本实施方式的动压轴承组件1，通过满足上述式子“L/D<C/δ”，即便旋转轴30由于旋转轴30的凸缘32与轴承20的上端面22抵接而发生倾斜，轴主体31也不会与轴承20的内周面23接触。图5A～5B表示将旋转轴30的轴主体31插入轴承20的轴孔21前后的状态，在C＝δ，即C/δ＝1时，轴主体31与轴承20的内周面23的上端以及下端接触，为了避免该接触，也可设定为保持“L/D<C/δ”的关系的尺寸。

此外，例如旋转轴(轴主体31和凸缘32双方)30的材料为日本工业标准SUS420J2的不锈钢、轴承20为黄铜或铜类至铁-铜类的烧结轴承的组合的情况下，随着温度降低，轴承20和旋转轴30之间的径向侧的间隙C变小而成为“L/D≥C/δ”的状况。这是基于双方的热膨胀差而产生的情况，为了在这样的低温状况下确保径向侧的间隙C，调整轴承20的上端面22的倾斜量δ以满足“L/D<C/δ”。此外，特别是通过将轴承20的上端面22的倾斜量δ设定为2～6μm，可防止轴向侧的粘性摩擦的显著增大，可得到平稳的起动性。

另外，描述了轴承20为烧结轴承的情况，但也可由黄铜或不锈钢等的熔炼材料形成轴承20，该情况下，通过化学腐蚀或放电加工的方法来形成螺旋槽24。

实施例

接着说明本发明的实施例，并明确本发明的效果。

将表1所示的组成的原料粉末压缩成形，并对该成形体进行烧结而得到所需个数的真密度比6.3～7.2％、外径φ6mm、内径φ3mm、轴方向长度5mm的圆筒状的烧结轴承的材料。

表1

(wt％)

 

Cu	Sn	Fe
			40～60	1～5	40～60

接着，在这些烧结轴承的材料上通过塑性加工而形成与图2以及图3所示相同的螺旋槽、分离槽以及偏心槽而制作烧结轴承，并将这些烧结轴承压入钢制的壳体内，进而令烧结轴承含浸作为润滑油的酯油。接着，将调整了凸缘的垂直度后的多个旋转轴分别插入烧结轴承中，成为与图1所示相同的构成，得到轴承的上端面的倾斜量不同的多个动压轴承组件。

令插入这些动压轴承中的旋转轴以4200rpm的速度旋转，并测定此时的旋转轴的上浮量。图6表示了该测定结果，由此，可判断若轴承的上端面的倾斜量超过6μm，则旋转轴的上浮量急剧减少。驱动磁记录盘旋转时，由于在温度为60℃左右时旋转轴的上浮量需要为6μm以上，所以判定为了可靠地满足该条件而需要倾斜量为6μm以下。

接着，图7是表示轴向侧的轴承间隙和起动扭矩的关系的图表，该图表，作为与轴承的上端面的倾斜量δ对应的磨合的平均间隙而试算轴向侧的轴承间隙中产生的粘性摩擦，表示在δ/2为3μm时用于令旋转轴旋转的起动扭矩为1的情况下的摩擦特性。从图7中可知，轴承间隙与起动扭矩为反比关系，若δ/2为1μm以下则起动扭矩急剧增大。因此，判定为需要将轴承间隙确保为2μm以上。

Claims (4)

1.一种动压轴承组件，具有在圆柱状的轴主体上设置有凸缘的旋转轴、

和旋转自如地插入有该旋转轴的上述轴主体且具有在该状态下与上述凸缘对置的轴承端面的圆筒状的轴承，

在上述凸缘和上述轴承端面的相互的对置面的任意一方上形成轴向动压槽，

在上述轴承的内周面和与该内周面对置的上述轴主体的外周面中的任意一方上形成径向动压槽，

向形成在上述旋转轴和上述轴承之间的间隙中供给润滑油，

若上述旋转轴旋转，则在供给到上述轴向动压槽以及上述径向动压槽中的润滑油中产生动压，上述旋转轴在与上述轴承为非接触的状态下由上述动压在轴向以及径向上支承，

其特征在于，在上述轴承的外径设为D、轴承的轴方向长度设为L、上述旋转轴和上述轴承之间的径向侧间隙设为C、与上述凸缘对置的上述轴承端面的倾斜量设为δ时，满足L/D<C/δ。

2.如权利要求1所述的动压轴承组件，其特征在于，上述轴承由烧结金属制成。

3.如权利要求1所述的动压轴承组件，其特征在于，通过对上述轴承端面实施塑性加工而令上述倾斜量δ为2～6μm。

4.如权利要求3所述的动压轴承组件，其特征在于，令上述轴承的内径为φ1～3mm，且上述径向侧的间隙C为1～4μm。

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