CN102575707A - 流体动压轴承装置 - Google Patents

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CN102575707A CN201080043219XA CN201080043219A CN102575707A CN 102575707 A CN102575707 A CN 102575707A CN 201080043219X A CN201080043219X A CN 201080043219XA CN 201080043219 A CN201080043219 A CN 201080043219A CN 102575707 A CN102575707 A CN 102575707A
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伊藤冬木
冈村一男
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Abstract

烧结金属制的轴承套筒的密度相对于真密度为80～95％的范围，且轴承套筒的杨氏模量为70GPa以上。如此，不仅提高轴承套筒的密度，而且通过将杨氏模量形成为70GPa以上，从而在对2～4mm的轴构件进行支承时，能够将轴承套筒的内周面的尺寸变化抑制在0.5μm以下。

Description

流体动压轴承装置
技术领域
本发明涉及通过形成在轴构件的外周面与轴承套筒的内周面之间的径向轴承间隙的流体膜的动压作用而将轴构件支承为相对旋转自如的流体动压轴承装置，尤其是涉及具备烧结金属制的轴承套筒的流体动压轴承装置。
背景技术
流体动压轴承装置从其高旋转精度及肃静性出发，适合于使用作为信息设备(例如HDD)的磁盘驱动装置、CD·DVD·蓝光光盘等的光盘驱动装置、或MD·MO等的光磁盘驱动装置等的主轴电动机用。
例如专利文献1公开了一种具备烧结金属制的轴承套筒的流体动压轴承装置。轴承套筒由烧结金属形成，在烧结金属的内部形成的无数的气孔中浸渍有润滑油，浸渍在该内部气孔中的润滑油在轴构件旋转时向轴构件与轴承套筒之间的轴承间隙渗出，从而向轴承间隙富足地供给润滑油，提高润滑性。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2006-112614号公报
轴承套筒的内周面的尺寸精度与径向轴承间隙的精度直接相关，进而较大地影响径向方向的支承力。尤其是在HDD的盘驱动装置那样对超高速旋转的小径轴(轴径2～4mm)进行支承的用途中，轴承套筒的内周面的尺寸精度非常重要。
然而，即使高精度地对轴承套筒的内周面进行加工，因各种原因而内周面也可能发生尺寸变化。例如，将轴承套筒固定在壳体的内周面时，由于施加给轴承套筒的压力，而轴承套筒的内周面的尺寸可能会发生变化。尤其是在上述那样的对超高速旋转的小径轴进行支承的情况下，即使轴承套筒的内周面发生微小的尺寸变化，对轴承性能的影响也无法忽视。
发明内容
本发明的要解决的课题在于提供一种抑制轴承套筒的内周面的尺寸变化量且具有优异的径向方向的支承力的流体动压轴承装置。
为了解决所述课题，本发明涉及一种流体动压轴承装置，具备：轴径为2～4mm的轴构件；在内周插入有轴构件的烧结金属制的轴承套筒；在内周面固定有轴承套筒的壳体；通过形成在轴构件的外周面与轴承套筒的内周面之间的径向轴承间隙的流体膜将轴构件支承为相对旋转自如的径向轴承部，所述流体动压轴承装置的特征在于，轴承套筒的密度相对于真密度为80～95％的范围，且轴承套筒的杨氏模量为70GPa以上。
需要说明的是，“真密度”是指完全未形成有内部气孔的状态的固体的密度，例如，利用粉碎等方法将内部气孔完全压扁而测定烧结金属的实际容积(除去内部气孔之外的容积)，将烧结金属的质量除以该实际容积，由此能够算出“真密度”。或者也可以根据烧结金属的原材料的真密度和各材料的配合比例来算出真密度。而且，烧结金属制的轴承套筒的密度如上述那样由相对于真密度的比例(百分率)来表示，在以下的说明中相同。
如此，通过提高烧结金属制的轴承套筒的密度，具体而言使烧结金属的密度为80％以上，而能够提高轴承套筒的强度，从而抑制轴承套筒的尺寸变化。
此时，若将轴承套筒的密度提升至接近真密度，则虽然能够赋予高强度，但这种超高密度的烧结金属由于内部的气孔成为独立气孔，因此无法浸渍润滑油，从而无法得到上述那样的润滑性的提高效果。而且，为了将烧结金属的密度提升至接近真密度，而需要使金属粉末的压缩成形时的压力极高，从而导致高加工成本。因此，轴承套筒的密度存在上限，具体而言需要为95％以下。本发明者们在这样的密度的范围内，为了更可靠地抑制轴承套筒的内周面的尺寸变化，而着眼于轴承套筒的杨氏模量，研究了轴承套筒的杨氏模量与内径尺寸变化量的关系。具体而言，在固定于壳体之前的轴承套筒和固定于壳体之后的轴承套筒中，研究了内周面的尺寸变化量(直径的变化量)。在此，在壳体与轴承套筒为间隙嵌合的状态下，通过在该间隙内夹设粘接剂的所谓间隙粘接将两者固定。轴承套筒的样品准备杨氏模量为40GPa、70GPa、100GPa及200GPa这四种各5个，所有的样品的密度均为88％。
其结果是，得到了图1所示的图形。该图形的纵轴表示将样品向壳体固定前后的样品的内径尺寸变化量(三处的平均值)，横轴表示样品的杨氏模量。相同杨氏模量的各样品的内径尺寸变化量之差在±0.05μm的范围内，因此由一条曲线表示。在轴径为2～4mm的小径轴的情况下，若内径尺寸变化量为0.5μm以下，则作为轴承套筒在实际应用上没有问题，因此以将内径尺寸变化量可靠地抑制成0.5μm以下为目标。根据图1的图形，若杨氏模量为70GPa以上，则内径尺寸变化量大约为0.4μm以下，即便考虑安全率也认为收敛在0.5μm以下。而且，以70GPa为边界而图形的斜率较大地变化，在70GPa以上，斜率变得非常平缓而内径尺寸变化量大致恒定。因此，通过将轴承套筒的杨氏模量形成为70GPa以上，能够可靠地将轴承套筒的内径尺寸变化量抑制成0.5μm以下，从而能够得到作为小径轴支承用非常适合的流体动压轴承装置。
杨氏模量可以利用JPMA M 10-1997所规定的方法来测定。或者通过测定轴承套筒的径向抗压强度而能够间接地推定杨氏模量。径向抗压强度可以利用JIS Z2507所规定的方法来测定，例如径向抗压强度为600N/mm2以上时，能够推定杨氏模量为70GPa以上。
在壳体为金属制时，轴承套筒的内周面可能发生较大的尺寸变化。即，金属制的壳体通常刚性高，因此例如向壳体的内周压入固定轴承套筒时，轴承套筒从壳体受到的阻力变大，变形的可能性升高。或者金属制的壳体通常线膨胀系数大，因此由于温度变化而容易膨胀·收缩，由此，向轴承套筒施加压力而变形的可能性升高。因此，在使用金属制的壳体时，优选适用本发明。
可以在轴承套筒的内周面形成动压产生部，该动压产生部积极地使动压作用产生在径向轴承间隙的流体膜上。该动压产生部可以通过例如基于成形模具的冲压加工来形成。
作为轴承套筒的材料，可以使用例如包含Cu、或Fe系金属、或这两者的材料。在轴承套筒的材料包含Cu及Fe系金属这两者时，可以使Fe系金属比Cu的配合量多。
若轴承套筒的烧结温度过低，则金属粉末的表面未被充分地活性化，金属粉末彼此的结合力可能发生不足，因此优选设定为750℃以上。另一方面，在烧结材料含有Cu时，若烧结温度超过Cu的熔点，则金属粉末含有的Cu完全熔融而无法维持轴承套筒的形状。因此，烧结温度优选设定为750℃以上且Cu的熔点以下。
【发明效果】
如以上所述那样，根据本发明，能够抑制轴承套筒的内周面的尺寸变化，因此能够得到径向方向的支承力高的流体动压轴承装置。
附图说明
图1是表示轴承套筒的样品的杨氏模量与内径尺寸变化量的关系的图形。
图2是主轴电动机的剖视图。
图3是流体动压轴承装置的轴向剖视图。
图4是轴承套筒的轴向剖视图。
图5是轴承套筒的仰视图。
图6a是表示将壳体和轴承套筒固定的次序的剖视图(加热前)。
图6b是表示将壳体和轴承套筒固定的次序的剖视图(加热时(粘接剂固化时))。
图6c是表示将壳体和轴承套筒固定的次序的剖视图(冷却时)。
具体实施方式
以下，基于附图，说明本发明的实施方式。
图2表示将本发明的一实施方式的流体动压轴承装置1装入后的信息设备用主轴电动机的一结构例。该主轴电动机使用在例如2.5英寸HDD的盘驱动装置中，具备：将轴构件2非接触支承为旋转自如的流体动压轴承装置1；安装于轴构件2的盘毂3；安装有流体动压轴承装置1的托架6；隔着半径方向的间隙而对置的定子线圈4及转子磁铁5。定子线圈4安装于托架6，转子磁铁5安装于盘毂3。盘毂3保持有规定张数(在图示例中为两张)的磁盘等盘D。向定子线圈4通电时，由于定子线圈4与转子磁铁5之间的电磁力而转子磁铁5相对旋转，由此盘毂3、盘D及轴构件2成为一体而旋转。
如图3所示，流体动压轴承装置1包括：轴构件2；在内周插入有轴构件2的轴承套筒8；呈向轴向两侧开口的筒状，且在内周面7a固定有轴承套筒8的壳体7；在壳体7的轴向一方的开口部设置的密封部9；将壳体7的轴向另一方的开口部闭塞的盖构件10。需要说明的是，为了便于说明，在轴向上，以壳体7开口的一侧为上侧且以盖构件10闭塞的一侧为下侧进行说明。
轴构件2由不锈钢等金属材料形成，具备轴径(直径)为2～4mm的轴部2a和在轴部2a的下端设置的凸缘部2b。在轴部2a的外周面2a1形成有比其他的部分的直径稍小的避让部2a2。轴构件2除了整体由金属形成之外，例如也可以利用树脂构成凸缘部2b的整体或其一部分(例如两端面)，由此形成金属与树脂的混合结构。
轴承套筒8由对金属粉末的压缩成形体进行烧结而得到的烧结金属构成。轴承套筒8的材料例如包含Cu、或Fe系金属、或这两者。本实施方式的轴承套筒8由包含Cu和SUS(不锈钢)的材料形成，SUS比Cu配合得多。如此，通过使轴承套筒8的材料包含SUS，而能够使SUS向轴承面(内周面8a及下侧端面8c)露出，由此能够提高对于与轴构件2的滑动的耐磨损性。
在轴承套筒8的内周面8a形成有径向动压产生部，该径向动压产生部使动压作用积极地产生在径向轴承间隙的流体膜上。在本实施方式中，如图4所示，作为径向动压产生部，人字形形状的动压槽8a1·8a2形成在沿轴向分隔的两个部位的区域。具体而言，在轴承套筒8的内周面8a的沿轴向分隔的两个部位的区域上形成有向内径稍突出的人字形形状的丘部8a10·8a20(图4中由交叉影线表示)。丘部8a10·8a20包括形成在各自的轴向大致中央部上的环状部8a11·8a21和从环状部8a11·8a21向轴向两侧延伸的倾斜部8a12·8a22，在倾斜部8a12·8a22的径向之间形成有动压槽8a1·8a2。在本实施方式中，上侧的动压槽8a1在有意地作出轴承内部的润滑油的循环的目的下，形成为轴向非对称。具体而言，动压槽8a1中，比丘部8a10的环状部8a11靠上侧区域的轴向尺寸X1形成为大于下侧区域的轴向尺寸X2。另一方面，下侧的动压槽8a2形成为轴向对称的形状。
在轴承套筒8的下侧端面8c形成有例如图5所示那样的螺旋形状的动压槽8c1作为推力动压产生部。具体而言，在轴承套筒8的下侧端面8c形成有向下方稍突出的螺旋形状的丘部8c10，在该丘部8c10之间形成有动压槽8c1。
在轴承套筒8的外周面8d上，如图4及图5所示，任意个数(例如3个)轴向槽8d1在轴向全长上形成，在轴承套筒8的上侧端面8b形成有任意个数(例如3个)径向槽8b1。在将流体动压轴承装置1组装完的状态下，如图3所示，轴承套筒8的轴向槽8d1及径向槽8b1构成用于使润滑油在轴承内部循环的循环路径的一部分。
轴承套筒8的密度设定在80～95％的范围内，且轴承套筒8的杨氏模量设定为70GPa以上。由此，能够抑制轴承套筒8的内径尺寸变化，因此能够高精度地设定径向轴承间隙的间隙宽度，从而得到优异的径向方向的支承力。
另外，若轴承套筒8的杨氏模量过高，则轴承套筒8的成形性变差，可能无法得到希望的尺寸精度。尤其是如上述那样在轴承套筒8形成动压产生部(动压槽8a1、8a2、8c1)时，若杨氏模量不合理地升高，则动压产生部的成形精度恶化，动压作用可能降低。因此，杨氏模量优选设定为150GPa以下(径向抗压强度下约为1500N/mm2以下)。
如图3所示，壳体7呈向轴向两侧开口的圆筒状，例如由金属材料形成，在本实施方式中由黄铜形成。壳体7并不局限于金属制，也可以由树脂材料形成。轴承套筒8的外周面8d通过间隙粘接、压入、压入粘接等适当的方法而固定在壳体7的内周面7a，在本实施方式中通过间隙粘接而固定。
盖构件10例如由金属材料形成，通过粘接、压入、压入粘接、熔敷等适当的方法而固定在壳体7的下端开口部。在盖构件10的上侧端面10a形成有例如螺旋形状的动压槽作为动压产生部(图示省略)。
密封部9例如由树脂材料形成为环状，通过粘接、压入、压入粘接、熔敷等适当的方法而固定在壳体7的内周面7a的上端部。密封部9的下表面9b与轴承套筒8的上侧端面8b抵接。密封部9的内周面9a形成为朝向下方逐渐缩径的锥状。在该锥状内周面9a与轴部2a的圆筒面状外周面2a1之间形成有朝向下方而半径方向尺寸逐渐缩小的楔状的密封空间S，从而构成利用该密封空间S的毛细管力来保持润滑油的毛细管密封部。密封空间S的容积在轴承装置的使用温度范围内，设定成大于保持在轴承装置的内部的润滑油的热膨胀量，由此，在轴承装置的使用温度范围内，润滑油不会从密封空间S漏出，而将油面始终保持在密封空间S内。
当轴构件2旋转时，在轴承套筒8的内周面8a与轴构件2的外周面2a1之间形成径向轴承间隙。并且，通过径向动压产生部(轴承套筒8的内周面8a的动压槽8a1·8a2，参照图4)，来提高形成于该径向轴承间隙内的流体膜(油膜)的压力，通过其动压作用，构成将轴构件2的轴部2a非接触支承为沿径向方向旋转自如的径向轴承部R1·R2(参照图3)。
与此同时，在轴承套筒8的下侧端面8c与轴构件2的凸缘部2b的上侧端面2b1之间、以及盖构件10的上侧端面10a与轴构件的凸缘部2b的下侧端面2b2之间分别形成有推力轴承间隙。并且，通过推力动压产生部(轴承套筒8的下侧端面8c的动压槽8c1(参照图5)及盖构件10的上侧端面10a的动压槽)，来提高形成在上述各推力轴承间隙内的流体膜(油膜)的压力，通过其动压作用，构成将轴构件2的凸缘部2b非接触支承为沿两推力方向旋转自如的第一推力轴承部T1及第二推力轴承部T2(参照图3)。
以下，以轴承套筒8的制造工序、及轴承套筒8与壳体7的组装工序为中心说明流体动压轴承装置1的制造工序。
轴承套筒8经由压缩成形工序、烧结工序、及定尺寸工序而制造。压缩成形工序通过利用模具对轴承套筒的材料即混合金属粉末进行压缩成形来进行。混合金属粉末例如包括Cu粉末、Cu-Fe合金粉末、Fe系金属粉末等，在本实施方式中，使用包括Cu粉末及SUS粉末在内的混合金属粉末。如此，由于混合金属粉末包含比较柔软的Cu粉末，从而能够提高压缩成形及后述的定尺寸工序中的成形性。
在烧结工序中，将由压缩成形工序成形的压缩成形体在规定温度下烧结。此时的烧结温度设定成金属粉末彼此能够结合的温度、具体而言设定成750℃以上。尤其是如本实施方式那样，在构成轴承套筒8的金属粉末包含SUS粉末时，因SUS粉末表面的氧化覆膜，烧结而成的金属粉末间的结合力可能发挥不足，因此优选以尽可能在高温下(例如950℃以上)进行烧结。另一方面，当烧结温度超过金属粉末的熔点时，无法维持轴承套筒8的形状，因此需要使烧结温度为金属粉末的熔点以下，在本实施方式中为Cu的熔点(1084℃)以下。
在定尺寸工序中，通过整形模具将经过烧结工序的压缩成形体(以下称为烧结体)矫正成规定尺寸。在整形模具中设有用于在轴承套筒8上成形动压产生部(动压槽8a1、8a2、8c1)的成形模具，在整形的同时，利用成形模具进行冲压加工，由此在同一工序内进行烧结体的定尺寸及动压产生部的成形。
以上那样形成的轴承套筒8的密度在80～95％的范围内，且杨氏模量为70GPa以上。换言之，以满足上述条件的方式设定金属粉末的粒径、压缩成形工序中的压缩率、烧结工序中的烧结温度及烧结时间、定尺寸工序中的压缩率等条件。
如此形成的轴承套筒8固定在壳体7的内周面7a。在本实施方式中，两者通过间隙粘接、尤其是使用了热固化性粘接剂的间隙粘接而固定。具体而言，将热固化性粘接剂涂敷在壳体7的内周面7a，将轴承套筒8向壳体7的内周插入。并且，在壳体7的内周面7a的规定位置上定位了轴承套筒8的状态下，将壳体7及轴承套筒8一起加热，使粘接剂固化，之后，冷却成常温而完成固定。
在壳体7与轴承套筒8的固定工序中，由于使热固化性粘接剂固化时的加热，而可能会产生以下那样的不良情况。即，如图6(a)所示，在壳体7的内周面7a与轴承套筒8的外周面8d的径向间隙δ1内夹设有热固化性粘接剂G的状态下进行加热时，壳体7及轴承套筒8一起发生热膨胀。尤其是如本实施方式那样，壳体7由黄铜形成且轴承套筒8由包含Cu及SUS的烧结金属形成时，壳体7的线膨胀系数大于轴承套筒8的线膨胀系数。具体而言，黄铜的线膨胀系数为19×10-6/℃左右，相对于此，由上述材料形成的烧结金属的线膨胀系数为13×10-6/℃左右。由于此种线膨胀系数的差的存在，因此在加热时，壳体7与轴承套筒8之间的径向间隙δ2大于加热前的间隙δ1(δ2＞δ1，参照图6(b))，在该状态下，夹设在径向间隙δ2内的热固化性粘接剂G固化。
然后，若将壳体7及轴承套筒8冷却，则如图6(c)所示，壳体7发生热收缩而内周面7a缩径。此时，由于粘接剂G已经固化，因此径向间隙δ2的大小不变，但由于壳体7的内周面7a的缩径，经由固化的粘接剂G将轴承套筒8向内径方向压迫。尤其是如本实施方式那样壳体7由金属材料(黄铜)形成时，壳体7的杨氏模量比较高(约100GPa)，因此，由于壳体7的收缩而轴承套筒8受到的压迫力比较大。根据本发明，如上述那样将轴承套筒8的密度提高成80％以上且将杨氏模量形成为70GPa以上，因此具有对抗此种压迫力的充分的强度，从而能够抑制轴承套筒8的变形、尤其是内周面8a的变形。
在此，示出了壳体7与轴承套筒8通过热固化性粘接剂固定的情况，但在其他的固定方法例如对两者进行压入固定时，轴承套筒8的内周面8a也可能发生变形，因此如上述那样提高轴承套筒8的密度及杨氏模量的方法是有效的。
另外，如本实施方式那样使用在HDD等盘驱动装置的主轴电动机中的流体动压轴承装置的情况下，轴构件2以超高速进行旋转，因此轴构件2与轴承套筒8之间的流体膜上产生的压力也非常大。此种流体膜的压力向轴承套筒8施加，由此，在轴承套筒8可能会产生微小的弹性变形，从而旋转的轴构件2可能会发生振动。如上述那样通过使轴承套筒8的杨氏模量为70GPa以上，能够抑制流体膜的压力引起的轴承套筒8的微小变形，从而防止轴构件2的振动的发生。
本发明并不局限于上述的实施方式。例如在上述的实施方式中，在轴承套筒8形成了由人字形形状或螺旋形状的动压槽构成的动压产生部，但并不局限于此，可以形成其他形状的动压槽，或将轴承套筒8的内周面8a形成为组合有多个圆弧的多圆弧形状，由此来构成动压产生部。或者也可以取代在轴承套筒8的内周面8a或下侧端面8c上形成动压产生部的情况，而在与这些面隔着轴承间隙对置的构件(轴构件2的轴部2a的外周面2a1及凸缘部2b的上侧端面2b1)上形成动压产生部。而且，还可以构成将轴承套筒8的内周面8a及轴构件2的轴部2a的外周面2a1这两者形成为圆筒面状的所谓正圆轴承。这种情况下，虽然未形成使动压作用积极产生的动压产生部，但利用轴部2a的略微的振动旋转来产生动压作用。
另外，在上述的实施方式中，示出了将本发明的流体动压轴承装置适用于HDD的盘驱动装置的主轴电动机的情况，但并不局限于此，只要是对轴径为2～4mm的轴构件的相对旋转进行支承的用途即可，在其他的用途中也能有效地适用。
【符号说明】
1流体动压轴承装置
2轴构件
3盘毂
4定子线圈
5转子磁铁
6托架
7壳体
8轴承套筒
9密封部
10盖构件
D盘
R1·R2径向轴承部
T1·T2推力轴承部
S密封空间

Claims (10)

1.一种流体动压轴承装置，其具备：轴径为2～4mm的轴构件；在内周插入有轴构件的烧结金属制的轴承套筒；在内周面固定有轴承套筒的壳体；通过形成在轴构件的外周面与轴承套筒的内周面之间的、径向轴承间隙的流体膜将轴构件支承为相对旋转自如的径向轴承部，其中，
轴承套筒的密度相对于真密度为80～95％的范围，且轴承套筒的杨氏模量为70GPa以上。
2.根据权利要求1所述的流体动压轴承装置，其中，轴承套筒的径向抗压强度为600N/mm2以上。
3.根据权利要求1或2所述的流体动压轴承装置，其中，壳体为金属制。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的流体动压轴承装置，其中，在轴承套筒的内周面形成有动压产生部。
5.根据权利要求4所述的流体动压轴承装置，其中，所述动压产生部通过基于成形模具的冲压加工而形成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的流体动压轴承装置，其中，轴承套筒的材料包含Cu。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的流体动压轴承装置，其中，轴承套筒的材料包含Fe系金属。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的流体动压轴承装置，其中，
轴承套筒的材料包含Cu及Fe系金属，且Fe系金属材料的配合量比Cu的配合量多。
9.根据权利要求6或8所述的流体动压轴承装置，其中，轴承套筒的烧结温度在750℃以上且Cu的熔点以下。
10.一种轴承套筒，其用于对轴径为2～4mm的轴构件进行支承且为烧结金属制，其中，
密度相对于真密度为80～95％的范围，且杨氏模量为70GPa以上。
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