CN100545470C - 流体轴承装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种流体轴承装置，该流体轴承装置能够阻止工作流体向轴承外部流出并防止径向轴承刚性降低，而且能够良好地维持推力轴承和径向轴承间隙，并能稳定转动。本发明是一种流体轴承装置，轴(2)插入套筒(1)的轴承孔(1b)内可相对自由旋转，在轴(2)外周面和套筒(1)内周面至少一个面上设置具有动压发生槽(3A、3B)的径向轴承面，工作流体(11)充满所述轴(2)和套筒(1)之间空隙，轴(2)由高锰铬钢或不锈钢构成，套筒(1)整体是包含重量超过60%的铁或铜的金属粒子构成的烧结金属，树脂、金属或水玻璃被含浸在存在于该烧结金属表面空孔中并硬化。由此，能够阻止工作流体(11)从套筒(1)向轴承外部泄漏，同时，能够防止轴承内部的压力降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用动压流体轴承的流体轴承装置。本发明的流体轴承装置能够适用于特别适合硬盘装置或其他磁盘装置的电动机等的流体轴承装置，也可以适用于其他机器。而且，特别适合于使用油(润滑油)作为工作流体的场合，但是，也可以适用于使用空气作为工作流体的流体轴承装置，还适用于使用空气之外的气体作为工作流体的流体轴承装置。
背景技术
近些年来，使用磁盘等的记录装置等由于其存储容量增大，而且数据传送速度高速化，在这种记录装置中使用的轴承装置必须具有高速且高精度的旋转功能，在其旋转动主轴部使用流体轴承装置。
下文参考图9～13对现有流体轴承装置的一个示例进行介绍。
如图9和图10所示，具有轴承孔30a的套筒主体30由烧结了铜合金等金属粒子的烧结金属构成，并一体地插入由金属或树脂加工的套筒罩31内部而固定。从而，由所述套筒主体30和套筒罩31构成套筒。轴32嵌合在套筒主体30的轴承孔30a内可自由旋转。轴32具有一体的止推法兰33。止推法兰33被收容在由套筒主体30、套筒罩31和止推板34所围成的空间部42内。止推法兰33设置得以与止推板34和套筒主体30二者面相对地被夹持姿态而能够旋转。
转动毂35固定在轴32上。转动磁铁36固定在该转动毂35的粗大直径部内周上。电动机定子37面对转动磁铁36地安装在基座38内。在套筒主体30的轴承孔30a的内周面上以及与其相对的轴32的外周面中至少一个面上设置动压发生槽39A、39B。在止推法兰33和止推板34的相对面上设置动压发生槽40A，而且，根据需要在止推法兰33和套筒主体30的对置面中至少一个面上设置动压发生槽40B。将作为工作流体的油41注入动压发生槽39A、39B、40A、40B与临轴32及套筒主体30之间的空隙内或设置了止推法兰33的空间部42内。
下文使用图9和图10介绍上述那样构成的现有流体轴承装置的工作。在图9中，首先，一旦向电动机定子37通电，产生转动磁场，轴32、止推法兰33和转动磁铁36与转动毂35一体开始转动，此时，动压发生槽39A、39B、40A、40B使油41产生泵送压力，动压产生槽39A、39B、40A、40B形成的面与对置面相对着上浮并非接触转动。也就是说，在动压发生槽39A、39B的位置形成以径向具有规定间隙状态可自由转动支撑的径向轴承，在动压发生槽40A、40B的位置形成以推力方向具有规定间隙状态可自由转动支撑的推力轴承。
根据上述结构的流体轴承装置，由于由烧结金属形成套筒主体30且能够将烧结后的产品放入模具内进行压制成形，采用压制加工能够高精度且节省时间地制造动压发生槽39A、39B、40A、40B。因此不象使用一般金属材料制造套筒主体那样在后续工序执行精密切削加工等槽加工就能制造动压发生槽39A、39B、40A、40B，能够使制造成本降低。
但是，在上述那样构成的现有流体轴承装置中，存在下述问题。
如图10所示，轴32插在套筒主体30的轴承孔30a内可自由旋转，但是，由烧结金属形成的套筒主体30在内部具有2～15％面积程度的空孔30d，并由包含重量超过60％的铜合金且使油41在低压下含浸在空孔30d中的材料组成。因而，一旦轴承内部的温度升高，含浸在套筒主体30内的油41流出到套筒主体30外部；一旦流出到套筒主体30的外周面等外部，油41流出轴承外部，污染周围空气。
而且，图11显示了套筒主体30的表面照片，如图11所示，由于套筒主体30表面具有空孔30d，在动压发生槽39A、39B、40A、40B的作用下，在轴承内部产生的2～5个气压的压力从表面的空孔30d大约泄漏30％，且径向轴承的刚性下降30％，轴32不能非接触地旋转，且旋转中会与套筒主体30接触并摩擦。图12显示根据表面面积空孔率(％)计算的径向轴承刚性下降比率(％)的计算值。而且，图11是烧结金属表面0.30mm×0.32mm范围的放大照片，黑的部分表示空孔30d，白的部分表示金属部分(有光泽)。
因而，在现有的流体轴承装置中，需要能从外周覆盖套筒主体30的套筒罩31，并且由所述套筒罩31将油41流出到轴承外部控制到最小限度。
为了解决这种问题，日本专利文献1(特开2003-322145号公报)等介绍了一种流体轴承装置，作为阻止油41向轴承外部流出的结构，由非透油性的被覆层覆盖着嵌合在套筒罩31内的套筒主体30表面。
根据这种结构，由于套筒主体30的表面由非透油性的被覆层覆盖，油不能浸入到套筒主体30的空孔内，因而，能够防止油41通过套筒主体30流出到轴承外部。而且，还能够防止轴承内部油41的压力降低，能够防止径向轴承刚性降低。
但是，在上述现有的流体轴承装置中，存在下述问题。
如图13所示，插入套筒罩31内并固定的套筒主体30倾斜固定着的情况下，由于轴承孔30a和止推板34之间的直角度产生偏差，推力轴承和径向轴承的间隙不均匀，且不能稳定地支撑，在上述偏差大时，轴32摩擦着套筒主体30的内面，产生不能非接触旋转的问题。而且将套筒主体30插入并固定在套筒罩31内的操作是必须的，同时，由于套筒主体30和套筒罩31是独立设置的，仅其状态也存在零件数量多的缺点。
图14表示在各种温度下径向轴承半径空隙(um)、油41的粘度(mm2/s)、轴承摩擦转矩(g/cm)的计算值，但是，由于套筒主体3的铜合金线膨胀系数是20.5×10-6(/℃)，另一方面，轴32的马氏体不锈钢1的线膨胀系数是10.3×10-6(/℃)，所以，在低温下，一方面油41的粘度变得非常大，但是套筒主体30的内径变得过小，轴承孔30a和轴32之间的半径空隙变窄，存在旋转变沉重的问题。因而在使用这种流体轴承装置的电动机中，低温时消耗电流变大。
发明内容
本发明解决上述问题，本发明的目的是提供一种流体轴承装置，该流体轴承装置能够阻止油等工作流体向轴承外部流出，同时能防止径向轴承刚性降低，而且能够良好地维持推力轴承和径向轴承的间隙，并能稳定且非接触地转动，还能在低温下良好地维持轴承的性能。
本发明是一种流体轴承装置，轴插入套筒的轴承孔内可相对自由旋转，在轴外周面和套筒内周面至少一个面上，设置具有动压发生槽的径向轴承面，工作流体充满所述轴和套筒之间的空隙，相对固定侧的基座，可自由转动地支撑转动侧的转动毂，该流体轴承装置的特征在于，固定在转动毂或基座上的轴由高锰铬钢或不锈钢构成，固定在基座或转动毂上的套筒整体是由包含重量超过60％的铁或铜的金属粒子组成的烧结金属，树脂、金属或水玻璃被含浸在存在于该烧结金属表面的空孔内并硬化，在套筒上直接安装止推板。
在这种结构中，通过使树脂、金属或水玻璃含浸在存在于构成套筒的烧结金属表面空孔内并硬化，能够阻止油等工作流体从套筒表面的空孔向轴承外部流出，同时能防止轴承内部的压力低下，防止径向轴承刚性低下，并能够提高可靠性。而且，通过由烧结金属构成套筒整体，能够良好地维持推力轴承和径向轴承的间隙，并减少零件数量和组装工作量。
而且，由于烧结金属组成的套筒原料的金属粒子成分是铁系，轴的线膨胀系数能变得比套筒的线膨胀系数大，在低温下套筒和轴之间空隙变大，即使低温下油的粘度变大，也能够防止轴的相对旋转变沉重，在使用该流体轴承装置的电动机中，能够将低温下的消耗电流控制在最小限度。
附图说明
图1是本发明实施例1的流体轴承装置剖面图；
图2是同一流体轴承装置中套筒的详细剖面图；
图3是同一流体轴承装置中套筒材料表面的放大示图；
图4是显示同一流体轴承装置中套筒加工工序流程的示图；
图5是说明同一流体轴承装置中轴承刚性的示图；
图6是用于说明同一流体轴承装置加工精度的剖面图；
图7是显示同一流体轴承装置性能特性的示图；
图8是本发明实施例2的流体轴承装置剖面图；
图9是现有技术的流体轴承装置剖面图；
图10是相同的现有技术流体轴承装置放大剖面图；
图11是显示拍摄套筒表面状态的照片示图；
图12是用于说明相同的现有技术流体轴承装置中套筒空孔率的示图；
图13是用于说明相同的现有技术流体轴承装置精度的概念图；
图14是显示相同的现有技术流体轴承装置性能特征的示图。
具体实施方式
下文参考图1～8对本发明实施例中的流体轴承装置进行介绍。
(实施例1)
图1是本发明实施例1的流体轴承装置剖面图。轴2插入到套筒1的轴承孔1a内可自由旋转，在轴2的外周面和套筒1的内周面中至少一个面上设置具有由模型状浅槽组成的动压发生槽3A、3B的径向轴承面。在轴2的一端(图1的上部)侧处，安装着粗径部内周具有转动磁铁4的转动毂5。在轴2的另一端(图1的下部)侧处，一体地安装着与轴2垂直的止推法兰6。止推法兰6的下端侧轴承面与止推7相对。止推板7固定在套筒1上。在止推法兰6和止推板7的相互对置面中至少一个面上形成螺旋状或鱼骨状图案的动压发生槽8A，在止推法兰6的上平面部和套筒1的对置面中至少一个面上设置动压发生槽8B。套筒1与电动机定子9一起固定在基座10上。在轴2和套筒1之间的空隙以及止推法兰6和止推板7之间的空隙内充满作为工作流体的油11。
图2是套筒1的放大示图，图2中符号A显示的部分再放大的图面是图3。如图3所示，烧结多个金属烧结粒子1b而构成套筒1，而面临其外部的金属烧结粒子1b之间的空间(空孔)几乎完全由封孔材料1c埋入。
下文对上述那样构成的流体轴承装置的工作进行介绍。首先，如果向电动机定子9通电，则产生转动磁场，转动磁铁4和转动毂5、轴2一起开始转动。一旦产生转动，动压发生槽3A、3B、8A、8B由油11使泵送压力产生，轴承部(径向轴承部和推力轴承部)的压力变高，轴2和止推法兰6相对套筒1和止推板7上浮且非接触地高精度转动。也就是说，在动压发生槽3A、3B位置处形成径向具有规定间隙状态可自由转动支撑的径向轴承；在动压发生槽8A、8B位置处形成止推方向具有规定间隙状态可自由转动支撑的推力轴承。而且，转动毂5能够固定图中未示的作为磁记录媒体的1个或多个磁盘，这些未示磁盘在转动的同时记录电信号或再现电信号。
图4显示套筒1的制造工序流程。首先，在1步，准备金属烧结粒子1b和结合剂(例如粘结剂)；在第2步，对金属烧结粒子1b和由结合剂组成的粉体进行压制成形；在第3步，进行烧结；在第4步，将烧结后的物品放入金属模具内，通过压制成形，同时对内外径和端面进行精压加工；在第5步，将套筒1放入含有聚合物、金属、水玻璃等的液体内使液体含浸在表面，并根据需要采用低压使液体也含浸在内部；在第6步，除去附着在物品表面的多余聚合物、金属或水玻璃；在第7步，硬化处理使聚合物、铁或水玻璃凝固；然后在第8步，实施与第4步相同的精压加工；在第9步，在轴承孔1a的内周面加工动压发生槽3A、3B；在第10步，采用定位销通到套筒1内周面等方法实施最终的精压加工，结束对套筒1的加工。而且，即使颠倒第6工序(除去附着在物品表面上的成分的工序)和第7工序(硬化处理工序)的顺序，也完全没有影响，效果相同。
采用上述加工工序，对烧结的套筒1表面空孔进行封孔，获得具有良好品质的轴承孔1a的套筒1。
而且，在第9步动压发生槽的加工可以象特公平3-68768号公报所示那样采用使用球的滚轧加工。
并且，第9和第10加工工序在套筒1的轴承孔1a内周面加工动压发生槽3A、3B的情况下是必需的，但是在其他方法中，在轴2的外周面加工动压发生槽3A、3B的情况下不需要该第9和第10加工工序。
另外，可以不在第8工序之后进行第9和第10加工工序，而是在第4和第5工之间实施第9和第10加工工序，也就是说，即使按照第1、第2、第3、第4、第9、第10、第5、第6、第7、第8的工序顺序进行加工，也能进行相同的加工。而且，在不怎么要求加工精度的情况下，在第4精压加工和第8精压加工中可以省略任何一个工序。
根据本发明，由于套筒1中包含轴承部(径向轴承部和推力轴承部)的内周面等的空孔用封孔材料1c封孔，如图5所示，与现有技术中面积比例超过3％的空孔情况相比，残留空孔变为0％，能够阻止油5从空孔向轴承外部泄漏，轴承刚性提高大约30％，因而，轴振动减小，转动精度增高。另外，以往利用车床对改削钢棒或铜合金棒进行车削加工，切削加工套筒1，为了提高表面的防绣和耐磨耗性，实施镀镍，但是，如果象本发明那样在烧结材料构成的套筒1上实施镀镍，具有腐蚀性的镀液残留在烧结材料中，这种液体然后在烧结材料上产生恶劣作用。针对此种情况，在本发明中，由于采用对表面进行封孔的加工工序，镀液不浸入套筒1的内部，不会产生上述问题。而且，套筒1用树脂或水玻璃对烧结材料表面进行封孔，能够对表面实施电镀加工，但是，在该套筒1的表面上实施镍磷系电镀加工，在与由高锰铬钢或不锈钢构成的轴2之间能发挥良好的滑动性和耐磨耗性，能够构成长寿命的流体轴承装置。
并且，如图6所示，根据本发明，通过由烧结金属构成套筒1整体，能够使现有技术的流体轴承装置中的套筒主体和套筒罩一体化，提高精度。例如，止推板7相对套筒1的轴承孔1a(用X表示轴心)的垂直角度能够轻易地保持在2微米以下。其中，图6中的附图标记12表示止推法兰6的配置空间。
图7表示在各种温度下径向轴承半径空隙(um(微米))、油粘度(mm2/s)、轴承摩擦转矩(g/cm(克厘米))。在本发明中，轴2由高锰铬钢或不锈钢任一种构成。套筒1由包含重量超过60％的铁或铜的金属粒子组成的烧结金属构成。并且，最好套筒1重量的90％以上由铁系粒子组成的烧结金属构成，由于轴2的线膨胀系数是16.0×10-6～17.3×10-6(/℃)，且套筒1的线膨胀系数是11.0×10-6(/℃)，在低温下，轴承孔1a和轴2之间的半径空隙变大，转动变轻。因而，即使油11的粘度在低温下增大，流体轴承装置的转动摩擦转矩没有那么增大，能够减少电动机消耗电流。具体数值如图7所示。
另外，作为套筒1，最好使用具有重量超过50％以上的不锈钢铁系粒子组成的烧结金属，在封孔处理后的套筒1上获得防绣效果，由于长时间不生锈，可靠性高，既不用担心表面生锈，也不用担心生锈的粒子污染周围。
此外，作为套筒1，最好使用由包含50％以上马氏体不锈钢或铁素体不锈钢铁系粒子的铁系粒子组成的烧结金属，由于轴2的线膨胀系数是16.0×10-6～17.3×10-6(/℃)，而套筒1的线膨胀系数是10.3×10-6(/℃)，在低温下，轴承孔1a和轴2之间的半径空隙变大，转动变轻。因而，如图7所示，即使油11的粘度在低温下增大，流体轴承装置的转动摩擦转矩也没有那么增大，能够减少电动机消耗电流。具体地说，在本发明中，可以从铁系粉体材料中选择马氏体不锈钢SUS416、SUS420、SUS440，或者铁素体不锈钢SUS410L或SUS430等。
另外，在残留于套筒1的烧结金属表面空孔内，低压含浸作为封孔材料1c的丙烯酸酯(アクリレ一ト)系树脂或4氟化乙烯系树脂，最好再对上述树脂进行硬化处理，当油11是酯油、烯油、石油时，油11和封孔材料1c不起化学反应，具有能够获得长期稳定的流体轴承装置的优点。
此外，在上述实施例中，虽然说明了轴2相对固定套筒1进行转动的情形，但是并不局限于此，即使套筒1与转动毂5一体转动且轴2固定在基座10上，构成所谓轴固定型结构，也具有同样效果，能够适用于相同的套筒1。
(实施例2)
图8是本发明实施例2的流体轴承装置剖面图。轴22插入套筒21的轴承孔21a内可自由旋转，在轴22的外周面和套筒21的内周面至少一方处设置具有由模型状浅槽组成动压发生槽23A、23B的径向轴承面。而且，在轴22的下端面形成与轴22垂直的推力轴承面，推力轴承面面对止推板24，止推板24固定在套筒21上，在推力轴承面或止推板24任一面形成螺旋状或鱼骨状类型的动压发生槽25，作为润滑剂的油26充满轴22和套筒21之间的空隙以及轴22和止推板24之间的空隙。虽然多个金属烧结粒子21b(参考图3)被烧结而构成套筒21，但是这些金属烧结粒子21b之间的空间几乎完全由封孔材料21c填埋。其中，图8中的符号27表示防止轴22从套筒21的轴承孔21a中拔出的防拔板。
另外，作为套筒21的烧结金属材料和轴22的材料，可以使用实施例1的流体轴承装置相同的材料，其制造工序、加工方法也使用与实施例1相同的工序和方法。
下文对上述构成的流体轴承装置的工作进行介绍。在图8中，一旦轴22开始旋转，动压发生槽23A、23B、25由油26使泵送压力产生，轴承部(径向轴承部和推力轴承部)的压力变高，轴22相对套筒21和止推板24上浮，非接触地高精度旋转。
即使采用该流体轴承装置，也能够获得与上述实施例1的流体轴承装置相同的作用效果。
Claims (6)
1、一种流体轴承装置，轴插入套筒的轴承孔内可相对自由旋转，在轴外周面和套筒内周面中至少一个面上设置具有动压发生槽的径向轴承面，工作流体充满所述轴和套筒之间空隙，相对固定侧的基座，可自由转动地支撑转动侧的转动毂，其特征在于：
固定在所述转动毂或所述基座上的所述轴由高锰铬钢或不锈钢构成，
固定在所述基座或所述转动毂上的所述套筒整体是由包含重量超过60％的铁或铜的金属粒子构成的烧结金属，
树脂、金属或水玻璃被含浸在存在于所述烧结金属表面的空孔内并硬化，
在所述套筒上直接安装止推板。
2、如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于，套筒是由重量超过90％的铁系粒子构成的烧结金属。
3、如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于，在存在于烧结金属表面的空孔中含浸丙烯酸酯系树脂，再对该树脂实施硬化处理，形成所述套筒。
4、如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于，在存在于烧结金属表面的空孔中含浸4氟化乙烯系树脂，再对该树脂实施硬化处理，形成所述套筒。
5、如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于，在存在于烧结金属表面的空孔中含浸树脂、金属或水玻璃，再对套筒表面实施镍磷系电镀，形成该套筒。
6、如权利要求1所述的流体轴承装置，其特征在于，所述套筒的线膨胀系数小于所述轴的线膨胀系数。
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