CN103423295B - 薄型电子设备用的流体动压轴承寿命延长方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够延长流体动压轴承寿命的旋转机构。在上述旋转机构中，轴（101）的径向被流体动压轴承（103）支承。旋转体（111）与转子（115）结合并且电动机（37）使转子旋转。在系统驱动电动机的期间流体动压轴承在流体润滑下工作。系统停止电动机对规定旋转方向的驱动力。系统在从停止驱动力到旋转体停止之间的至少一部分期间对轴施加制动力。在停止时，轴和流体动压轴承在混合润滑或者边界润滑下工作的期间减少，降低了流体动压轴承的磨损。

Description

薄型电子设备用的流体动压轴承寿命延长方法及电子设备

技术领域

本发明涉及降低薄型电子设备中使用的流体动压轴承磨损的技术。

背景技术

笔记本型个人计算机（笔记本PC）、平板终端等薄型电子设备安装有包括散热风扇、硬盘驱动器或者光学驱动器等旋转机构的设备。并且这些旋转机构多采用在小型化以及轻薄化等方面表现优异的滑动轴承。根据用于降低摩擦的润滑方式的不同，可以将滑动轴承分为，在轴与轴承之间的滑动面形成流体润滑膜的方式和对轴承滑动面赋予特殊固体物质从而降低摩擦、磨损的固体润滑这样的方式。

采用了基于流体润滑膜的润滑方式的轴承根据得到支撑轴的滑动面的压力方式的不同可分成流体动压轴承（Fluid Dynamic Bearing）和流体静压轴承（Fluid DynamicBearing）。流体动压轴承通过轴与轴承的相对滑动运动来使流体润滑膜产生动压。在流体静压轴承中，将从轴承的外部加压的润滑流体供给滑动面来对流体润滑膜赋予支撑轴的压力。

专利文献1公开了设置有流体动压轴承的外转子型风扇电动机。该文献记载有填充在铸铁部的轴部件间的润滑油在轴部件相对旋转时形成流体润滑状态的内容。专利文献2公开了评价轴承润滑状态的斯特里贝克曲线。专利文献3公开了一种在电子系统的电源断开（off）时，使电枢线圈短路来使制动器工作，防止在电动机由于惯性而继续旋转的期间用户因接触而受伤或者电源重启延迟的技术。专利文献4公开了在切断电源时对电动机赋予多个制动信号，使得风扇电动机的驱动部不流过过大的电流。制动电路具备用于使电动机发电或者制动的电阻元件。

专利文献1：日本特开2010－249182号公报

专利文献2：日本特开2011－126976号公报

专利文献3：日本特开2007－159391号公报

专利文献4：日本特开2011－172300号公报

轴承可分为轴承受到径向负载的径向轴承和承受推力负载的推力轴承。支撑径向负载的流体动压轴承在轴旋转的期间，轴与轴承被流体润滑膜完全分离，两者并不直接接触，因此一般地，可认为滑动面的损伤引起的故障较少。但是，近年来的薄型电子设备采用的流体动压轴承（径向轴承）有相对易于产生故障的趋势。分析故障现象之后的结果，可知多数是由堆积在轴与轴承之间的缝隙处的金属粉而引起的老化。

因此，需要弄清楚金属粉堆积的原因从而寻求适当的对策。于是本发明目的在于提供一种能够延长薄型电子设备利用的流体动压轴承寿命的旋转机构。本发明的目还在于提供一种能够以简单的方法延长流体动压轴承寿命的旋转机构。本发明的目的还在于提供一种延长流体动压轴承寿命的方法以及采用该方法的电子设备。

发明内容

本发明涉及延长安装在薄型电子设备壳体内部的旋转机构所采用的流体动压轴承寿命的技术。本发明的原理基于如下新的见解，在使以规定的旋转速度旋转的电动机停止时施加制动力与未施加制动力相比，流体动压轴承的金属接触（metal contact）的总接触时间要少。旋转体与径向被流体动压轴承支承的轴结合。电动机对轴赋予驱动力而使该轴旋转。在电动机停止对轴赋予的驱动力到轴停止之间的至少一部分期间，驱动部也对电动机赋予制动力。

其结果，与旋转体以惯性旋转时相比，能够缩短停止要花费的时间，能够减少停止时的总接触时间。一般地在安装于电子设备的旋转机构中，运转与停止的反复频度较高，因此降低停止时的流体动压轴承磨损是有效的延长寿命的方法。电动机可以是采用流体动压轴承支承与安装有旋转体与永磁铁的转子的轴相结合的外转子型无电刷直流电动机。对于这样的电动机而言，惯性力矩和旋转能量较大，因此在以惯性停止的情况下以缓慢的旋转速度工作的时间变长，总接触时间变长，因此本发明尤其有效。

在安装于薄型电子设备壳体内部的旋转机构中，流体动压轴承的轴向长度L变短，因此易于在混合润滑或者边界润滑下工作，这对本发明而言是有效的。可以由在多孔质部含有润滑油的烧结金属来形成流体动压轴承。而且可构成为在轴与流体动压轴承之间的间隙处含有预先填充的润滑油。驱动部能够按照使施加给电动机的电压阶梯状地降低的方式来施加制动力。该情况下，无需在驱动部中添加用于制动的电路，能够利用仅进行速度控制的驱动部来实现本发明。

通过本发明，能够提供一种延长薄型电子设备所使用的流体动压轴承寿命的旋转机构。根据本发明，还能够提供一种以简单的方法延长流体动压轴承寿命的旋转机构。根据本发明还能够提供一种流体动压轴承寿命延长方法以及采用了该方法的电子设备。

附图说明

图1是表示旋转机构的机械式构造的剖视图。

图2是流体动压轴承103的放大图。

图3延长流体动压轴承103寿命的系统200的功能框图。

图4是表示使速度阶梯状地降低来停止电动机107时的样子的图。

图5是说明流体动压轴承的设计参数的图。

附图标记说明：101…轴；103…流体动压轴承；107…电动机；111…旋转体；115…转子；121…永磁铁；123…电枢线圈。

具体实施方式

流体动压轴承的设计参数使用作为滑动面的接触压力的p值、作为滑动面的周速度的V值以及作为它们的积的pV值，等等。V值与轴的旋转速度对应。p值与轴承金属的疲劳强度相关，V值与由轴的振动而引起的固体接触相关，pV值与发热相关。此处，在使轴承的内径为D、使轴承的轴向长度为L以及使轴承负载为P时，接触压力p存在关系p＝P／DL。

并且，如图5（A）所示，在这些参数中各自存在允许最大值。关于形成流体润滑膜的润滑方式，使用如图5（B）所示的斯特里贝克线图来说明摩擦系数和与摩擦相关的轴承参数之间的关系。在斯特里贝克线图中，根据与轴承的磨损相关的摩擦系数和组合润滑油的粘度η、V值以及p值而计算出的轴承常量（ηV／p）之间的关系的不同，将工作状态分为流体润滑、混合润滑以及边界润滑。此处，轴承常量具有作为控制流体润滑膜厚度的参数的意义。

对于流体润滑而言，在滑动面的负载被足够厚度的流体润滑膜支承的工作区域，轴和轴承未直接接触，因此摩擦较小，几乎不发生磨损。流体润滑一般不受V值、pV值的限制。混合润滑与流体润滑相比，是p值变大或者V值变小时的工作区域。在混合润滑中，因滑动面被较薄的流体润滑膜支承从而轴承面与轴的凸部彼此会发生接触，所以一般受pV值的限制。

边界润滑与混合润滑相比，是p值变大或者V值变小时的工作区域。在边界润滑中，流体润滑膜仅在滑动面的局部存在，因此与混合润滑相比，会更频繁地产生轴承面与轴的凸部彼此之间的接触，一般受pV值、V值的限制。在混合润滑和边界润滑中，由于轴与轴承的接触，轴承的内面会发生磨损。

电子设备所使用的流体动压轴承在通常的使用状态下被配置成轴朝向铅垂方向，因此接触压力p较小，而且也能够将旋转速度设定为较高的速度，因此能够在流体润滑下工作。只要在流体润滑下工作，轴与轴承就不接触，因此不会产生金属粉，但从产生了金属粉这一事实推断，显而易见，轴与轴承会因某种原因而发生产生金属粉程度以上的接触。

可认为轴与轴承相接触，这是因为尽管将设计参数设定为流体润滑但是流体动压轴承在混合润滑或者边界润滑下工作。这里，尝试研究在安装于薄型电子设备所使用的旋转机构的流体动压轴承是否存在特有的故障原因。在安装于薄型电子设备的旋转机构中，轴承的轴向长度L变短。

因此，即使轴承负载P与以往相同，轴承常量（ηV／p）也会降低与接触压力（p＝P／DL）增加相应的量。另外，之所以为了补偿轴承常量的降低而尽可能地减小轴与轴承内面的缝隙来使流体润滑膜的动压增大，是因为具备如果轴承常量降低而无法维持流体润滑，则轴与轴承的直接接触（金属接触）的频度就会进一步增加这一特质。

旋转部旋转时的运动能量与旋转部的惯性力矩（GD2）和角速度的平方成比例。旋转部由于惯性自然停止时，流体轴承与轴之间的摩擦力、旋转体的风损等会消耗掉旋转部的运动能量，因此运动能量越大或者消耗能量越小，停止所花费的时间越长。例如，使电子设备壳体的热进行散热的散热风扇的惯性力矩大、旋转速度也快，因此在直到由于惯性停止的期间，以缓慢的旋转速度工作的时间变长。此时可认为，流体动压轴承在缓慢的旋转速度时在混合润滑或者边界润滑下工作。

这里，可推断出如果对轴赋予制动力而使其停止，与由惯性停止相比就能够缩短停止所花费地时间，从而能够缩短在混合润滑或者边界润滑下工作的时间，但是这对降低流体动压轴承磨损是否有效还需要验证。在本发明中，为了在实际中确认磨损是否降低而研制了特别的装置。该装置能够监视施加于轴与流体动压轴承间的电压，从而在电压降低时检测两者的接触。可知若使连接了装置的旋转机构旋转，则在一定值以上的旋转速度时装置检测出继续的高电压，但若使电动机以惯性停止，则在停止所花费的期间，电压上下变化而频繁发生金属接触。

接着，为了与由惯性停止相比缩短停止时间，在从停止电动机驱动力的瞬间到停止为止的期间，尝试对轴施加制动力。其结果发现，赋予制动而使其停止与由惯性停止相比，金属接触的次数少。并且，对两者分别而言，也是赋予制动时每次金属接触的合计时间（总接触时间）要少。因此，在使具备流体动压轴承的旋转机构停止时，可确认赋予制动时比由惯性停止更能够降低流体动压轴承的磨损。

图1是采用了在薄型电子设备的内部安装的流体动压轴承的旋转机构的剖视图。图2是图1的轴承部分的放大图。旋转机构100包括电动机107和旋转体111。在旋转机构100为对电子设备壳体的热进行散热的散热风扇时，旋转体为叶片，在旋转机构100为硬盘驱动器或者光学驱动器的情况时旋转体为磁盘和磁盘表。在将这样的旋转机构安装在电子设备时，轴朝向铅垂方向，因此能够充分地维持流体润滑。

但是，这样的旋转机构为了降低电子设备的消耗电力和噪声，根据电子设备的工作状态频繁地反复运转和停止，因此针对停止时的流体动压轴承的应力变大。另外，这些旋转机构由于惯性力矩大，因此在由惯性停止时从停止电动机驱动到旋转停止之间会花费比较长的时间。

此处，由惯性停止是指从使电动机停止对轴101的规定方向赋予驱动力到一边由轴的摩擦和旋转部的风损消耗掉旋转时主要的运动能量一边进行停止动作。并且，由惯性停止是指变更电动机绕线的连接、形成极性与驱动时不同的磁极从而不赋予发电制动、再生制动或者反转制动。此外，电动机的驱动是指使旋转体沿期望的方向旋转。

电动机107由转子115、与转子115结合的轴101、支撑轴101对径向的轴承负载的流体动压轴承103、密封流体动压轴承103所使用的润滑油的密封盖131、收纳流体动压轴承103的壳体133、固定于壳体133的电枢铁心125、卷绕于电枢铁心125的电枢线圈123以及固定于转子115内侧的永磁铁121构成。

在电动机107的下部设置有安装有驱动部的电路基板127。电动机107是转子115与轴101一体化并在电枢铁心125周围旋转的外转子型无电刷DC电动机。轴101旋转时的惯性力矩是旋转体111、转子115、永磁铁121以及轴101的惯性力矩的和，外转子型无电刷DC电动机与内转子型无电刷DC电动机相比，由惯性停止所花费的时间较长。

一般地，在流体动压轴承中有开始使用后就几乎没有必要给油的无油轴承（也称为“无给油轴承”或者“自润滑型轴承”。）。无油轴承按材料的不同可分为塑料系、金属系、复层系、碳黑铅系以及陶瓷系等。在金属系的无油轴承中，作为具备用于含有润滑油的多孔质部的含油材料，由烧结了铜系或铁系粉末的烧结材料以及进行特殊处理后成为多孔质化的铸制铜合金材料或者生长铸铁材料等。流体动压轴承103是使铜系烧结材含有润滑油后的烧结含油轴承。烧结材包含的润滑油当轴101旋转时，会由于泵作用而被吸出到轴101与流体动压轴承103的内面之间的间隙151，当轴101停止时会由于毛细管现象再次进入烧结材。

流体动压轴承103还预先向间隙151供给润滑油而使用。由于该原因，流体动压轴承103与不使用烧结材所含有的润滑油以外的润滑油的无油轴承不同。但是，本发明也可以用于不需要预先进行给油的无油轴承。流体动压轴承103为了有效地生成动压而在内面具备槽153。

用未图示的推力轴承在上下任意方向均负担轴101的推力负载。因推力轴承在本发明的说明不需要而省略其说明。密封盖131多少有些柔软性，因此在轴101停止间隙151的润滑油不产生动压的期间，轴101与流体动压轴承103的内面发生金属接触。当轴101旋转时由于泵作用被从烧结材吸出的润滑油与预先填充在缝隙151的润滑油形成所谓的油楔，从而会使轴101与流体动压轴承103之间产生动压。

在轴101以一定以上的旋转速度旋转时，润滑油膜的动压分离成轴101与流体动压轴承103不发生金属接触。在产生规定动压的期间，轴101按照在润滑油膜上滑动的方式进行旋转。由于轴101由不锈钢形成，在停止时随着动压变小，轴101与流体动压轴承103之间的润滑油膜也变薄，从而发生金属接触，轴101磨掉烧结材料。被磨掉的金属粉堆积在间隙151从而成为老化的原因。

电动机107是外转子型，因此流体动压轴承103负担旋转体111、转子115、永磁铁121以及轴101等在径向产生的所有轴承负载。为了实现旋转机构100的轻薄化，有使轴承的长度L变短、轴承常量变小的趋势。对流体动压轴承103而言，为了使动压变大而将间隙151的尺寸t缩短为2μm～4μm左右。因此，若旋转速度降低，则流体动压轴承103容易在混合润滑或者边界润滑下工作。

图3是延长流体动压轴承103的寿命的系统200的功能框图。作为一个例子，旋转机构100可以采用将旋转体111作为叶片的电子设备的散热风扇。系统200包括直流电源179、控制部181、驱动部177以及电动机107。直流电源179包括AC／DC适配器或者电池等电源、将电压变换为规定电压的DC／DC转换器。

直流电源179以规定的直流电压向控制部181、驱动部177以及电动机107供给电力。系统181由程序、温度传感器以及控制器等构成，并根据温度传感器检测出的温度来决定电动机107的旋转速度，并向驱动部177发送速度设定值。驱动部177利用从系统181接受到的速度设定值和电动机107的旋转速度进行速度控制或者停止控制。驱动部177检测并向系统181发送电动机107的旋转速度。

电动机107包括以星形连接卷绕在定子的电枢铁心125上的3个电枢线圈123a～123c、安装于转子115的极性不同的2个永磁铁121a、121b。电枢线圈123a～123c的中性点被线缆171连接至驱动部。电枢线圈123a～123c分别与在直流电源179与地线之间以串联的方式连接而成的3对N型FET173a～173c的中点连接。

对FET173a～173c而言，高侧（high side）的FET的漏极分别与直流电源179连接、低侧（low side）的FET的源极分别接地、栅极分别与驱动部177连接。FET173a～173c在电枢线圈123a～123c之间构成3个H桥电路。电动机107的构成是公知技术。

接着对系统200的工作进行说明。控制部181利用当前的旋转速度和温度传感器的输出来决定电动机107的旋转速度。作为一个例子，控制部181将电动机的转速控制为4550、3850、3500、2800rpm这4个级别中的任意1个级别或者使电动机停止。例如，在控制为4550rpm的恒定转速时，控制部181向驱动部177发送与其对应的速度设定值。

驱动部177按照使电动机107的旋转速度与速度设定值一致的方式对FET173a～173d进行PWM控制，从而控制向电枢线圈123a～123c施加的电压。驱动部177在某一时机选择任意1对高侧的FET与另1对低侧的FET，并按照使电动机107以与速度设定值对应的旋转速度旋转的方式调整它们的占空比。剩余的FET截止并且低侧的FET截止的电枢线圈成为不流过电流的非固定状态（floating state）。

例如，合成由电枢线圈123a、123c中流过的电流生成的磁场从而形成磁场的空间矢量。驱动部177检测在非固定状态的电枢线圈123b激励产生的电压，从而检测转子115的旋转位置并控制FET173a～173c的工作，进而使磁场的空间矢量旋转。永磁铁121a、121b从电枢线圈123a～123c的旋转矢量磁场受到吸引力或者反发力，向与矢量磁场相同的方向旋转。

控制部181在变更旋转速度时变更速度设定值。在至今为止的停止方法中，在控制部181停止电动机107旋转时，若将速度设定值设定为零，则驱动部177使占空比为零并使FET173a～173c全部为截止，使其由惯性停止。此时，电枢线圈123a～123c全部为非固定状态，不生成由电动机107的电磁力产生的制动力。在本实施方式中，控制部181在使电动机107停止时将与当前的旋转速度对应的速度设定值阶段性变更为旋转速度慢的速度设定值，并向驱动部177发送。

图4是表示使速度阶段性降低进而使电动机107停止时的样子的图。线201表示由惯性停止的状态，并表示在时刻t0使FET173a～173c截止时在时刻t1旋转停止的样子。线缆203表示在使旋转速度阶段性降低时在时刻t2旋转停止的样子。线缆203与线缆201相比，因为进行再生制动而在阶段性的各旋转速度间降低的旋转速度的每单位时间的降低率较大。

例如在电动机107以4550rpm旋转时控制部181为了停止旋转在时刻t0发送相当于3850rpm的速度设定值，在转速减速到3850rpm时立即发送相当于3500rpm的速度设定值。以相同的顺序依次发送相当于2800、2000rpm的速度设定值并在减速为2000rpm时立即在时刻t3使所有FET173a～173c为截止。

即，若在驱动部177以4550rpm旋转时用相当于3850rpm的占空比控制电枢线圈123a～123c的电压，则直到转速降低至3850rpm电动机107都作为直流发电机工作，在FET173a～173c的截止期间用直流电源179回收电力从而产生制动力。在FET173a～173c的截止期间不进行再生制动，在导通期间长并且旋转速度快的情况下，制动力较大。因此，从4550rpm降低至2000rpm，使旋转速度阶梯状地降低与以1个级别降低相比，能够缩短旋转速度直到停止所花费的时间。在实验结果中，如图4所示，通过使旋转速度阶段性降低，能够使t2缩短为t1的70％至90％左右。

用于赋予制动的阶段性的各旋转速度可以与通常工作时使用的旋转速度不同。上述构成只要是按照在使电动机10停止时控制部181发送阶段性的速度设定值的方式变更程序即可，不变更硬件也能够实现。另外，在进行阶段性减速时，驱动部177也能够使电枢线圈123a～123c短路而进行制动，或者产生向相反方向旋转的磁场而进行制动。另外，也可以从开始停止操作到完全停止期间持续赋予制动。

至此使用附图所示的特定实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不局限于附图所示的实施方式，不言而喻，只要起到本发明的效果即可，可以采用任意至今公知的构成。

Claims (14)

1.一种旋转机构，被安装在薄型电子设备壳体的内部，其特征在于，具有：

旋转体，其与径向被流体动压轴承支承的轴结合；

电动机，其向所述轴赋予驱动力来使所述轴旋转；以及

驱动部，其在从所述电动机停止对所述轴赋予的驱动力到所述轴停止之间的至少一部分期间，向所述电动机赋予制动力；

其中，所述驱动部向所述电动机赋予驱动力包括接收所述电子设备的系统中控制部发送的速度设定值，利用所述速度设定值对所述电动机中的H桥电路进行PWM控制，以使得所述电动机的旋转速度与所述速度设定值一致；

所述驱动部向所述电动机赋予制动力包括所述控制部在使所述电动机停止时，将与当前的旋转速度对应的速度设定值阶段性变更为旋转速度慢的速度设定值，并向所述驱动部发送。

2.根据权利要求1所述的旋转机构，其特征在于，

所述电动机是外转子型无电刷直流电动机，在所述电动机中所述流体动压轴承支承与安装有永磁铁和所述旋转体的转子结合的所述轴。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的旋转机构，其特征在于，

所述流体动压轴承由在多孔质部含有润滑油的烧结金属形成。

4.根据权利要求3所述的旋转机构，其特征在于，

在所述轴与所述流体动压轴承之间的间隙处含有预先填充的润滑油。

5.根据权利要求4所述的旋转机构，其特征在于，

所述驱动部以使施加给所述电动机的电压阶梯状地降低的方式来赋予制动力。

6.根据权利要求5所述的旋转机构，其特征在于，

在所述旋转体正在以所述停止操作开始前的旋转速度旋转的期间，所述流体动压轴承在流体润滑下工作。

7.一种电子设备，是薄型的电子设备并且在壳体的内部安装旋转机构，其特征在于，

所述旋转机构具有：

旋转体，其与径向被流体动压轴承支承的轴结合；

电动机，其使所述轴旋转；以及

驱动部，在从所述电动机的停止操作开始到所述轴停止之间的至少一部分期间向所述电动机赋予制动力；

其中，所述驱动部向所述电动机赋予驱动力包括接收所述电子设备的系统中控制部发送的速度设定值，利用所述速度设定值对所述电动机中的H桥电路进行PWM控制，以使得所述电动机的旋转速度与所述速度设定值一致；

所述驱动部向所述电动机赋予制动力包括所述控制部在使所述电动机停止时，将与当前的旋转速度对应的速度设定值阶段性变更为旋转速度慢的速度设定值，并向所述驱动部发送。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，

所述电动机是具备永磁铁的转子旋转的外转子型电动机。

9.根据权利要求7或者权利要求8所述的电子设备，其特征在于，

所述驱动部以使所述电动机的当前旋转速度阶梯状地降低的方式来停止。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，

所述旋转机构构成使所述电子设备壳体内部的热散热的散热风扇。

11.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，

所述旋转机构构成硬盘驱动器或者光学驱动器。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，

所述电子设备是笔记本型个人计算机或者平板终端。

13.一种薄型电子设备用的流体动压轴承寿命延长方法，在所述薄型电子设备的壳体内部安装有与旋转体结合并被电动机驱动的轴和支撑所述轴的径向的流体动压轴承，其特征在于，具有：

所述电子设备的系统使所述旋转体以规定的旋转速度旋转，使所述流体动压轴承在流体润滑下工作的步骤；

所述系统停止所述电动机的驱动力的步骤；以及

在所述系统停止所述驱动力到所述旋转体停止之间的至少一部分期间对所述电动机施加制动力的步骤；

其中，驱动部向所述电动机赋予驱动力包括接收系统中控制部发送的速度设定值，利用所述速度设定值对所述电动机中的H桥电路进行PWM控制，以使得所述电动机的旋转速度与所述速度设定值一致；

所述驱动部向所述电动机赋予制动力包括所述控制部在使所述电动机停止时，将与当前的旋转速度对应的速度设定值阶段性变更为旋转速度慢的速度设定值，并向所述驱动部发送。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

所述施加制动力的步骤包括使所述电动机的旋转速度从当前的旋转速度阶段性降低至低旋转速度的步骤。