CN100575726C - 液压轴承装置 - Google Patents

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Abstract

一种液压轴承装置，其中通过粘接将另一构件固定到树脂壳体可以确保高粘合强度。轴承套被固定在树脂壳体内的适当位置处，并通过轴构件与轴承套之间的径向轴承间隙内所产生的润滑剂的动压作用以非接触方式径向地支承轴构件。用于安装电动机的定子线圈的金属托架通过粘接固定到壳体的外周边，其中壳体的外周边之要固定到托架的粘接部被粗加工，使表面粗糙度设定在0.5μmRa至2.0μmRa的范围内。

Description

液压轴承装置
技术领域
本发明涉及一种液压轴承装置。所述液压轴承装置适于用作信息设备的主轴电动机内的轴承装置，举例而言，所述信息设备可为磁盘设备(例如HDD或FDD)、光盘设备(例如CD-ROM、CD-R/RW或者DVD-ROM/RAM)或者磁光盘设备(例如MD或MO)，所述主轴电动机可为激光束打印机(LBP)的多边形扫描仪电动机、用于投影机的色轮或者电气设备(例如轴流式风扇(axial flow fan))的小电动机。
背景技术
除了高旋转精度之外，上述电动机还需要改善速度、降低成本、减小噪音等等。决定这些所需性能的一个要素是支承电动机转轴的轴承。近来就这种类型的轴承而言，正在考虑使用上述所需性能较佳的动压轴承，或者实际上已将这种液压轴承投入实际使用中。这种类型的液压轴承大致分为两类：动压轴承和圆形轴承(circular bearing)，其中所述动压轴承装备有用于在轴承间隙内的润滑剂中产生动压的动压产生装置，所述圆形轴承(轴承表面为圆形结构的轴承)没有装备这种动压产生装置。
就这种轴承装置的实例而言，日本专利第2000-291648A号批露一种应用于盘驱动设备(例如HDD)的主轴电动机中的动压轴承装置。在此轴承装置中，轴承套被固定到形成底部圆柱体的壳体的内周边，并且具有径向地向外凸出的凸缘部的轴构件被插入轴承套的内周边所界定的孔内，其中旋转的轴构件与固定构件(轴承套、壳体，等等)之间所形成的径向轴承间隙以及推力轴承间隙内会产生流体动压，轴构件以非接触方式由此流体动压来支承。
顺便提及，此种类型的主轴电动机通过转子磁铁以及定子线圈所产生的激振力使轴构件旋转；传统地，在许多情况下，转子磁铁被固定到随着轴构件旋转的构件(盘毂或其类似物)，而定子线圈被固定到固定在动压轴承装置的壳体的外周边的金属托架(电动机托架)。
一般通过粘接来实现电动机托架和壳体的固定。传统地，壳体由软金属(例如黄铜)制成；因为金属构件之间可以实现粘接，所以可以获得必要且足够的粘附力。
然而近来，从获得成本降低等等的观点来考虑使用树脂壳体。在这种情况下，无法获得树脂壳体与电动机托架之间连接所需的足够的粘附力。因此，在此的问题是如何获得其等之间连接所需的足够的粘附力。
发明内容
考虑到此问题，本发明的一个目的是增强树脂壳体与另一构件(例如电动机托架)之间连接所需的粘合强度。
为了获得此目的，本发明的液压轴承装置包括：壳体；固定在壳体内的适当位置处的轴承套；适合相对于轴承套旋转的轴构件；以及径向轴承部，所述径向轴承部通过轴承套的内周边表面与轴构件的外周边表面之间的径向轴承间隙内所形成的油膜以非接触方式径向地支承轴构件，由金属或树脂制成的另一构件通过粘接而固定到壳体，其中至少壳体由树脂制成，且其中，壳体和另一构件中的、由树脂制成的一个的粘接部具有粗糙表面，所述粗糙表面具有在0.5μmRa与2.0μmRa间的范围内的表面粗糙度，其中所述粗糙表面通过注射成形而形成。
通常，树脂产品通过注射成形而形成。用于注射成形的模具模制表面被镜面精加工，使得所获得的树脂产品的表面粗糙度约为0.1μmRa，该表面粗糙度显著小于金属产品的表面粗糙度。通过有意地将注射成形所获得的树脂产品的粘接部的表面粗加工到0.5μmRa或更大，当壳体和其它构件通过粘接而连接时，胶粘剂会进入表面粗加工所造成的表面凸起和凹槽所界定出的空隙中以提供粘结效应(anchoring effect)，从而可以确保高粘合强度。这有助于确保树脂壳体与连接到其的构件之间的高抗冲击特性，使得可以形成树脂壳体并为液压轴承装置提供较佳的耐用性和可靠性。除了壳体的粘接部(壳体的通过粘接而连接到某些其它构件的部分)之外，当其它构件由树脂制成时，也可以对其它构件的粘接部(其它构件的通过粘接而连接到壳体的部分)进行表面粗加工。
另一方面，当粘接部被过度粗加工时，在模塑的同时会造成模制产品的取出能力的下降。考虑到这点，理想地是粘接部的表面粗糙度不大于2.0μmRa，更佳者是不大于1.5μmRa。
对于用于形成壳体的树脂类型没有特别的限制，只要其为热塑树脂即可。可以使用的树脂实例包括：非晶态树脂(amorphous resins)，例如聚砜(PSF)、聚醚砜(polyether sulfone，PES)、聚苯基砜(polyphenyl sulfone，PPSF)、以及聚醚酰亚胺(polyether imide，PEI)；以及结晶树脂，例如液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚对苯二甲酸丁二醇脂(polybutyrene terephthalate，PBT)以及聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)。
如需要也可以将填料加入上述树脂中。对于所使用的填料类型没有特别的限制。可以使用的填料实例包括纤维填料(例如玻璃纤维)、须状填料(例如钛酸钾)、鳞状填料(例如云母)以及纤维或粉末状导电填料(例如碳纤维、炭黑(carbon black)、石墨、碳纳米材料以及金属粉末)。这种填料可能仅单独使用，或者可能将两种或更多种填料相互混合。
对于通过粘接而连接到壳体的其它构件的功能、结构、配置等等没有特别的限制，并且所述构件的材料可以为金属或者上述的树脂材料中之一。除了壳体的外周边表面之外，所述其它构件通过粘接可以连接到壳体的各种部分，例如所述壳体的内周边表面或底部。也可以在所述构件之包括粘接部的整个表面上执行表面粗加工，而非仅在粘接部上执行表面粗加工。
对用于通过粘接而连接壳体和其它构件的胶粘剂没有特别的限制；所述胶粘剂可以从各种胶粘剂中进行选择，包括根据所使用的树脂材料以及要通过粘接而连接到所述壳体的其它构件的材料类型的环氧型胶粘剂、氨基甲酸乙脂型胶粘剂、丙烯酸型胶粘剂等等。
要通过粘接而连接到壳体的其它构件的实例包括用于安装定子线圈的托架、用于气密性密封壳体的开口的密封构件、用于封闭壳体底部的推力衬套以及轴承套。
因为使用树脂壳体，所以具有上述动压轴承装置、定子线圈以及转子磁铁的电动机较便宜。进一步而言，因为可确保足够的粘合强度水平，所以所述电动机会显示出高抗冲击性并且具有较佳的耐用性和可靠性。
根据本发明，可以确保强粘附力，以供通过树脂壳体与其它构件之间的粘接使其等相连，从而可以改善液压轴承装置的耐用性和可靠性。
附图说明
图1为供其内包含有动压轴承的用于信息设备的主轴电动机的截面图；
图2为动压轴承的截面图；
图3为动压轴承装置中所使用的轴承套的截面图；
图4为从图2中的箭头B所看到的壳体的平面图；
图5为供其内包含有根据另一实施例的动压轴承的用于信息设备的主轴电动机的截面图；
图6为根据本发明又一实施例的动压轴承装置的截面图；以及
图7为通过测量所获得的测试结果的示意图，示出壳体粘接部的表面粗糙度与粘合强度之间的关系。
具体实施方式
在下文中，将会参照图1至图7来说明本发明的实施例。
图1概念性地示出其内包含动压轴承装置1的用于信息设备的主轴电动机的构造的一个实例，所述动压轴承装置1通过动压油膜来支承轴构件2。此主轴电动机应用于盘驱动装置(例如HDD)中，并且包含动压轴承装置1、安装到轴构件2的盘毂3以及通过，举例而言，径向间隙的媒介作用而彼此相对的定子线圈4和转子磁铁5。定子线圈4被安装到托架6的外周边，而转子磁铁5被安装到盘毂3的内周边。如以下所述，动压轴承1具有通过粘接而固定到托架6的内周边的壳体7。盘毂3用于保持一个或多个盘D，例如磁盘(见图5)。当定子线圈4被供给能量时，转子磁铁5通过定子线圈4与转子磁铁5之间的电磁力而旋转，从而使盘毂3和轴构件2构成可整体旋转的旋转式构件。
图2为动压轴承装置1的放大图。此动压轴承装置1由作为主要元件之形成为具有一个端部开口的底部圆柱体的壳体7、固定到壳体7的内周边的轴承套8以及轴构件2组成。
在此动压轴承1中，轴承套8的内周边表面8a与轴构件2的外周边表面2a之间设有在轴向上互相分隔开的第一径向轴承部R1和第二径向轴承部R2。进一步而言，推力轴承部T1形成于壳体7的上端面7d与盘毂(转子)3之固定到轴构件2的相对的下端面3a之间。在以下说明中，为了方便起见，壳体7的底部7b侧将被称为下侧，而底部7b的相对侧将被称为上侧。
壳体7通过注射成形一种树脂材料形成底部的圆柱体，举例而言，所述树脂材料由液晶聚合物(LCP)组成，该液晶聚合物为添加有作为导电填料的2wt％至8wt％的碳纳米管的结晶树脂，并且壳体配备有圆柱形侧部7a以及与侧部7a的下端形成一整体的底部7b。
如图4中所示，举例而言，螺旋形结构的动压槽沟7d1形成于构成推力轴承部T1的推力轴承表面的上端面7d内。在通过注射成形形成壳体7的同时形成这些动压槽沟7d1。即，塑模的用以形成壳体7的有关位置(要形成上端面7d的位置)通过加工构成动压槽沟7d1的槽沟图案而预先准备好，并且在通过注射成形来形成壳体7的同时将槽沟图案的形状转送到壳体7的上端面7d，从而可以在通过模塑来形成壳体7的同时形成动压槽沟7d1。
进一步而言，壳体7上部的外周边内具有逐渐向上岔开的锥形外壁7e。此锥形外壁7e与盘毂3上设有的凸缘部3b的内壁3b1之间形成向上逐渐变小的锥形密封空间S。在轴构件2和盘毂3的旋转期间，此密封空间S与推力轴承部T1的推力轴承间隙的外侧相连。
轴构件2形成为金属材料(例如不锈钢)构成的轴，且具有保持一致的直径。盘毂3通过图式中所示的螺纹啮合或者某些其它适当的手段(例如压入配合或粘接)而固定到轴构件2。
轴承套8通过使用，举例而言，由烧结金属，尤其是主要成分为铜的烧结金属所组成的多孔材料形成圆柱形结构，并通过，举例而言，粘接或超声波焊接，而固定到壳体7的内周边表面7c的预定位置处。
由烧结金属形成的轴承套8的内周边表面8a上设有上部和下部区域，所述区域构成第一径向轴承部R1和第二径向轴承部R2的径向轴承面，从而在轴向上互相分隔开来，且举例而言，如图3中所示，在这两个区域中分别形成人字形结构(或者螺旋形结构)的动压槽沟8a1和8a2。在所示的径向轴承部R1和R2中，相对于轴向中心m(上部与下部倾斜槽沟间的区域的轴向中心)轴向非对称地形成上部动压槽沟8a1，且轴向中心m之上的区域的轴向直径X1大于所述轴向中心之下的区域的轴向直径X2。进一步而言，轴承套8的外周边表面8d上形成一个或多个延伸过其整个轴向长度的轴向槽沟8d1。
轴构件2被插入由轴承套8的内周边表面8a所限定的孔内。当轴构件2和盘毂3保持静止时，轴构件2的下端面2b与壳体7的内底面7b1之间以及轴承套8的下端面8c与壳体7的内底面7b1之间各自存在微小间隙。
以润滑剂来填充壳体7的内部空间等。即，润滑剂会填充轴承套8的内周边表面8a与轴构件2的外周边表面2a之间的间隙、轴承套8的下端面8c与轴构件2的下端面2b以及壳体7的内底面7b1之间的间隙、轴承套8的轴向槽沟8d1、轴承套8的上端面8b与盘毂3的下端面3a之间的间隙、推力轴承部T1以及密封空间S，包括轴承套8的内部微孔。
在轴构件2和盘毂3的旋转期间，轴承套8的内周边表面8a的构成径向轴承面的(上部和下部)区域各自通过径向轴承间隙的媒介作用与轴构件2的外周边表面2a相对。壳体7的上端面7d的构成推力轴承面的区域通过推力轴承间隙的媒介作用与盘毂3的下端面3a相对。当轴构件2和盘毂3旋转时，径向轴承间隙内的润滑剂会产生动压，并且轴构件2通过径向轴承间隙内所形成的油膜以非接触方式受到径向且旋转式支承。结果，形成第一径向轴承部R1和第二径向轴承部R2，它们径向且旋转地以非接触方式支承轴构件2和盘毂3。同时，润滑剂在推力轴承间隙内产生动压，并且盘毂3在推力方向上以非接触方式由推力轴承间隙内所形成的油膜旋转支承，从而形成在推力方向上以非接触方式旋转支承轴构件2和盘毂3的推力轴承部T1。
如图1中所示，由金属，优选为轻合金(例如铝合金)，制成的托架6通过粘接固定到壳体7的侧部7a的外周边表面7f。在粘接之后，壳体7的外周边表面7f(不包括锥形外壁7e)以及托架6的内周边表面6a通过填充粘接间隙的粘接而牢固地互相连接在一起。
在本发明中，为了确保壳体7和托架6所需的粘合强度，壳体7的表面形成为具有如JIS B0601中所限定的中心线平均粗糙度为0.5μmRa或者更高值的表面(粗糙表面)。本发明的发明人所做的测试中显示小于0.5μmRa的表面粗糙度无法提供足够的粘合强度。就仅考虑粘合强度而言，不需要特别设置表面粗糙度的上限；然而，当表面粗糙度超出2.0μmRa时，注射成形后难于将模制品从模具中取出来，从而阻碍成功地成形。因此，粘接部的表面粗糙度需要不小于0.5μmRa但不大于2.0μmRa(优选为不大于1.5μmRa)。壳体7的整个表面并不总是必须在上述的表面粗糙度范围内；只要至少托架6的粘接部的表面粗糙度在上述范围内就可满足需要。当通过粘接将轴承套8固定到壳体7的内周边表面7c时，通过使壳体的内周边表面7c的粘接部形成上述的粗糙表面可以获得相似的效果。
举例而言，通过在由喷丸处理(shot blasting)、砂纸或其类似物粗加工塑模的已镜面磨光的模制表面之后执行注射成形能够以低成本实现壳体7的粘接部的表面粗加工。举例而言，通过将模具的模制表面粗加工到大约1.0μmRa可以在模具所获得的最终产品中获得0.8μmRa的表面粗糙度。除了模具的这种表面预粗加工之外，也可能会通过在注射成形之后在壳体表面上执行适当的表面粗加工处理来使粘接部的表面形成粗糙表面。
本发明不限于图1和图2中所示的作为实例的动压轴承装置；只要壳体7由树脂制成即可，本发明适用于各种类型的动压轴承装置。图5显示一个实例，其中轴构件2由轴部分2c以及向外凸出的凸缘部2d组成；推力轴承表面形成于凸缘部2d的一个端面或者轴承套8的与该端面相对的端面上以及凸缘部2d的另一端面或者壳体7的与该端面相对的底部7b上，从而形成互相垂直分隔开的第一推力轴承部T1以及第二推力轴承部T2(径向轴承部R1和R2未示出)。亦在此实施例中，树脂壳体7的外周边表面7f通过粘接固定到托架6的内周边表面；通过在上述的粘接操作之前粗加工壳体7的外周边表面7f，可以获得壳体7与托架6之间连接所需的高粘合强度。在此动压轴承装置1中，用于密封壳体7的上端处的开口的密封构件9通过粘接可以固定到壳体7的内周边表面。在这种情况下，壳体7的内周边表面之至少连接到密封构件9的部分可能会以上述方式来粗加工。
图6显示图5中所示的动压轴承装置的一个实例，其中树脂壳体7的底部7b由推力衬套10构成，所述推力衬套为一分离式元件。在这种情况下，推力衬套10通过粘接固定到壳体7的内周边内所形成的大直径内周边表面7c1；通过以上述方式来粗加工此大直径内周边表面7c1可以获得高粘合强度。然而在所示的实例中，密封部7g一体地形成在壳体的上端处，此密封部7g也可能会构成分离式密封构件9(见图5)，并通过粘接将其固定到壳体7的已预先粗加工的内周边。
在上述的实例中，壳体7的粘接部须经表面粗加工；然而，当要将壳体7固定至其的构件(举例而言，托架6、轴承8、密封构件9或者推力衬套10)由树脂制成时，该构件的粘接部也可以进行表面粗加工。
进一步而言，尽管在上述实施例中，推力轴承部T1和T2都构成动压轴承，然而本发明也适用于这些推力轴承部构成接触式枢轴承(pivotbearing)的情况。
径向轴承部R1和R2也可以由多圆弧轴承构成。图8A显示一个实例，其中多个弧形表面81形成于轴承套8的内周边表面8a的构成第一径向轴承部R1以及第二径向轴承部R2(亦称为“锥形轴承”)的各径向轴承表面的区域内。弧形表面81为偏心的弧形表面，其等中心以相同距离偏离于旋转轴O，并以相等间隔形成于圆周方向上。偏心的弧形表面81之间形成轴向分离的槽沟82。
通过将轴构件2插入轴承套8的内周边表面8a所限定的孔内，轴承套8的偏心弧形表面81以及相分离的槽沟82与轴构件2的圆形外周边表面2a之间会形成第一和第二径向轴承部R1和R2的径向轴承间隙。径向轴承间隙之与偏心弧形表面81相对的区域构成间隙宽度在一个圆周方向上逐渐减小的楔状间隙83。楔状间隙83的宽度减小方向与轴构件2的旋转方向相一致。
图8B和8C显示构成第一和第二径向轴承部R1和R2的多圆弧轴承的其它实施例。
就这些实施例而言，在图8B中所示的实施例中，图8A中所示的构造被修改成使以旋转轴O作为其等中心的同心圆弧构成偏心弧形表面81的最小间隙侧面上的预定区域θ。因此，径向轴承间隙(最小间隙)固定位于各预定区域θ内。如此构造的多圆弧轴承也被称作锥形平支座(tapered flatbearing)。
在图8C中，轴承套8的内周边表面8a的构成径向轴承表面的区域由三个弧形表面81构成，且三个圆弧表面81的中心从旋转轴O偏离相同距离。在三个偏心弧形表面81所界定的各区域内，径向轴承间隙被配置成在两个圆周方向上均逐渐变小。
尽管上述的第一和第二径向轴承部R1和R2的多圆弧轴承均为三圆弧轴承，然而这不应该被认为具有限制性；也可能采用所谓的四圆弧轴承、五圆弧轴承，或者进一步而言，采用具有六个或更多圆弧的多圆弧轴承。进一步而言，除了如径向轴承部R1和R2的情况下之两个径向轴承部在轴向上互相分隔开来的构造之外，也可能会采用下述构造，其中单个径向轴承部被设置成延伸过轴承套8的内周边表面的上部区域和下部区域。
进一步而言，尽管在上述实施例中采用多圆弧轴承作为径向轴承部R1和R2，然而也可能会采用某些其它类型的轴承。举例而言，尽管图中未示，轴承套8的内周边表面8a之构成径向轴承表面的区域内也可以使用立式止推轴承(step bearing)，其中形成形式为复数个轴向槽沟的动压槽沟。
图7显示通过测量所获得的测试结果，指示出壳体粘接部的表面粗糙度与粘合强度之间的关系。在这个测试中，所使用的壳体7的底部具有分离式推力衬套10(见图6)，并且通过逐渐增加推力方向上施加到推力衬套10的负载可测量推力衬套10的抽出负载。所使用的胶粘剂为环氧型胶粘剂(由Epoxy Technology公司所制造的Epotec 353ND)。
如图7中清楚呈现，在未经过表面粗加工(0.1μmRa)的普通注射成形产品中，粘合强度为400N，然而通过将粘接部表面粗加工至0.5μmRa，可使粘合强度增强大约25％而变成500N，从而满足动压轴承装置所需的冲击负载水平(1000G)。当表面粗糙度为1.0μmRa时，粘合强度为600N，因此显然，表面粗糙度超过此数值时将会使粘合强度达到饱和水平。另一方面，如以上所述，当表面粗糙度超过2.0μmRa时，注射成形的取出能力会降低。因此，从测试结果也可以看出，理想地是粘接部的表面粗糙度为0.5μmRa或更大。另一方面，理想地是表面粗糙度的上限为2.0μmRa或更小，优选为1.5μmRa或更小。
要提及地是，如以上所述，当轴承套8由浸油的烧结金属制成时，通常可以实现以润滑剂进行真空浸渍。通过将轴承套8组装在壳体7内并整个浸入油中可以实现此真空浸渍；传统地，即使在这种浸油之后可以使壳体7去除油污，在许多情况下，在随后的通过粘接来连接其它构件的步骤中也无法获得足够的粘合强度。在本发明中，相比之下，甚至在这种浸油之后也可以获得高粘合强度。这个可以证明本发明尤其适用于轴承套8由浸油的烧结金属制成的轴承装置。

Claims (6)

1.一种液压轴承装置，包括：
壳体；
固定在所述壳体内的适当位置处的轴承套；
适合相对于所述轴承套旋转的轴构件；以及
径向轴承部，所述径向轴承部通过所述轴承套的内周边表面与所述轴构件的外周边表面之间的径向轴承间隙内所形成的油膜以非接触方式径向地支承所述轴构件，由金属或树脂制成的另一构件通过粘接而固定到壳体，
其中至少所述壳体由树脂制成，并且其中所述壳体和所述另一构件中的、由树脂制成的一个的粘接部具有粗糙表面，所述粗糙表面具有在0.5μmRa与2.0μmRa之间的范围内的表面粗糙度，其中所述粗糙表面通过注射成形而形成。
2.根据权利要求1所述的液压轴承装置，其中通过粘接固定到壳体的所述另一构件为用于安装电动机的定子线圈的托架。
3.根据权利要求1所述的液压轴承装置，其中通过粘接固定到壳体的所述另一构件为用于密封壳体的开口的密封构件。
4.根据权利要求1所述的液压轴承装置，其中通过粘接固定到壳体的所述另一构件为封闭壳体底部的推力衬套。
5.一种液压轴承装置，包括：
壳体；
固定在所述壳体内的适当位置处的轴承套；
适合相对于所述轴承套旋转的轴构件；以及
径向轴承部，所述径向轴承部通过所述轴承套的内周边表面与所述轴构件的外周边表面之间的径向轴承间隙内所形成的油膜以非接触方式径向地支承所述轴构件，由金属或树脂制成的所述轴承套通过粘接固定到壳体，
其中所述壳体由树脂制成，并且其中所述壳体和所述轴承套中的、由树脂制成的一个的粘接部具有粗糙表面，所述粗糙表面具有在0.5μmRa与2.0μmRa之间的范围内的表面粗糙度，其中所述粗糙表面通过注射成形而形成。
6.一种电动机，包括：
根据权利要求1至5中之一所述的液压轴承装置；
定子线圈；以及
转子磁铁。
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