CN107869512B - 流体轴承装置用轴构件及其制造方法、以及流体轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供流体轴承装置用轴构件及其制造方法、以及流体轴承装置。流体轴承装置用轴构件在外周面具有在轴向上分离的两个轴承面(31、32)、以及形成在轴承面(31、32)之间且直径比轴承面的直径小的中央避让部(33)。在中央避让部(33)设置有由磨削面构成的圆筒面部(331)、以及配置于圆筒面部的轴向两侧且相对于圆筒面部具有直径差的台阶部(332)。

Description

流体轴承装置用轴构件及其制造方法、以及流体轴承装置

技术领域

本发明涉及流体轴承装置用轴构件及其制造方法、以及流体轴承装置。

背景技术

一直以来，作为对小型电机等的轴进行支承的轴承装置，广泛使用通过在轴构件与轴承构件之间形成润滑流体膜而将轴构件支承为旋转自如的流体轴承装置。在流体轴承装置中，通过在轴构件的外周面或轴承构件的内周面形成的动压产生槽使轴承间隙产生流体动压的流体动压轴承装置被广泛使用在要求高速旋转或高旋转精度的用途，例如被广泛用作激光打印机的多边形镜扫描电机、小型的冷却用风扇电机、硬盘驱动器用电机等中的轴承装置。

例如在日本专利第4504391号(专利文献1)中公开了流体动压轴承装置的一例。在这种流体动压轴承装置中使用的轴构件中，为抑制其振摆回转而通常在轴向上分离的两处设置径向轴承面。在两个径向轴承面之间，为实现轴构件的低转矩化而形成有外径尺寸比径向轴承面的外径尺寸小的中央避让部。

具有以上形态的轴构件例如通过以下方式制作：车削金属坯料而形成在外周面具有径向轴承面、中央避让部的轴坯料，之后，如图8所示，将砂轮100按压于轴坯料300的径向轴承面310、320而进行圆筒磨削。在轴构件组装于流体动压轴承装置的状态下，中央避让部330浸入润滑油中，并不特别要求其精度。因此，多数情况下省略中央避让部330的磨削。

然而，在磨削轴坯料300时，有必要利用作为支承构件的滑履(shoe)120对旋转的轴坯料的轴向中间部附近进行支承，由此承受来自砂轮100的磨削载荷W。此时，滑履120对轴坯料300的支承精度对磨削后的表面精度有很大影响，因此滑履120对轴坯料300的支承优选不在车削面即中央避让部330进行，而在磨削面即径向轴承面310进行(参照专利文献1的图1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4504391号公报

一直以来，轴坯料的凸缘相反侧的轴承面310存在于轴坯料的轴向中间附近，因此在磨削圆筒时，滑履120能够配置于磨削载荷W的作用线(磨削载荷中心线)附近。因此，认为磨削中的轴坯料的姿态处于稳定的状态。

另一方面，近年来，为了适合服务器等的使用，期望硬盘驱动器(HDD)的进一步高容量化。在这样的高容量类型的HDD中，盘的搭载张数增加，因此轴容易振摆回转，为了抑制该振摆回转而有必要进一步提高流体动压轴承装置的轴承刚性。另一方面，也期望消耗功率的降低，要求流体动压轴承装置的进一步低转矩化。

为满足以上要求，如图9所示，有必要进行增大中央避让部330的轴向尺寸从而扩大轴承面310、320间的跨度的设计。在这种情况下，凸缘相反侧的轴承面310形成在偏向轴构件300的凸缘相反侧的位置，因此若与以往相同地利用滑履120支承凸缘相反侧的轴承面310，则磨削载荷W的作用线与滑履120的支承区域之间的轴向偏移增大。在这种情况下，有时两个轴承面310、320与滑履120的支承区域之间的轴向距离之差会很大，磨削中的轴坯料300以由滑履120支承的区域为中心进行轻微摆动(以箭头示出摆动方向，以附图标记O示出摆动中心)。因此，明显可知轴坯料300的精加工精度、尤其是两个径向轴承面310、320的同轴度降低，从而导致轴承性能的降低。

需要说明的是，作为以上问题的解决方案，也可以考虑由滑履支承轴构件的轴向长度的3/4左右的区域(专利文献1的图4)。然而，在这种情况下，不可能使滑履与轴坯料整面接触，只能在限定的狭窄区域使两者接触，因此有在批量生产时滑履的支承位置不一致的问题。因此，反而导致磨削精度的降低，成为轴承性能降低的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供能够使轴承性能提高的流体轴承装置用轴构件及其制造方法。

用于解决课题的方案

为达成以上的目的，本发明的流体轴承装置用轴构件在外周面具有在轴向上分离的两个轴承面、以及形成在所述两个轴承面之间且直径比所述两个轴承面的直径小的中央避让部，所述流体轴承装置用轴构件的特征在于，在所述中央避让部设置有由磨削面构成的圆筒面部、以及配置于圆筒面部的轴向两侧且相对于所述圆筒面部具有直径差的台阶部。需要说明的是，台阶部能够由车削面形成、或者由磨削面形成。

像这样，在本发明中以圆筒面部为磨削面，在中央避让部形成高精度区域(圆筒面部)。因此，在对轴承面进行磨削时，通过由滑履支承该高精度区域，能够提高轴承面的磨削精度。另外，通过由滑履支承中央避让部的圆筒面部，即使在使轴承面间的跨度扩大的长轴型的轴构件中，也能够使磨削载荷的作用线(磨削载荷中心线)接近由滑履支承的区域，优选能够配置于由滑履支承的区域中。在这种情况下，由滑履支承的区域与各轴承面之间的轴向距离之差变小。因此，磨削中的轴坯料变得不易振摆回转，即便振摆回转也能够减小对两个轴承面的磨削精度产生的影响。根据以上叙述的作用，能够提高磨削后的轴承面各自的表面精度(圆度等)，能够进一步提高两个轴承面相互间的精度(同轴度等)。

另外，在中央避让部设置有相对于圆筒面部具有直径差的台阶部，因此在对中央避让部和轴承面进行磨削时，通过使用带有直径差的砂轮，能够同时开始中央避让部和轴承面的磨削。因此，能够缩短磨削时间。另外，在使用通过磨损的成形工具(修整器)成形的砂轮进行磨削时，轴承面的中央避让部侧的端缘位置也不发生变动。因此，能够使轴承面的轴向宽度稳定。

并且，通过由滑履支承中央避让部的情况下，对中央避让部以及轴承面进行同时磨削，从而中央避让部成为磨削轴承面时的加工基准。因此，能够在中央避让部与轴承面之间确保高同轴度。通过由滑履支承相对于轴承面以高精度保持为同轴的圆筒面部，能够进一步提高轴承面的磨削精度。

需要说明的是，圆筒面部为直径比轴承面直径小的区域，因此圆筒面部的精度几乎不会对轴承性能产生影响。因此，在中央避让部特意花费成本来实施磨削的必要性低。本发明与现有的技术常识不同，其特征在于，在中央避让部设置了轴承功能方面没什么必要的磨削区域(所谓的放弃研究区域)。

在磨削中由滑履支承圆筒面部，从而在圆筒面部形成有滑履的划痕即滑履痕迹。若滑履痕迹残留于圆筒面部，则能够理解在磨削时圆筒面部被滑履支承。

在中央避让部与轴承构件的内周面之间形成的间隙的容积大时，向轴承装置内部封入的润滑油量增大。因此，会产生因温度变化造成的油位的变动量变大，轴承装置的密封结构大型化的问题。为了防止该弊端，优选轴构件的圆筒面部与台阶部的直径尺寸的直径差为80μm以下。另外，优选台阶部的轴向长度为4mm以下。

本发明的流体轴承装置具有以上所述的轴构件、以及在轴构件的外周配置的轴承构件，在轴构件的轴承面与轴承构件的内周面之间形成有径向轴承间隙。通过使用上述轴构件，能够得到振摆回转等少的高旋转精度的流体轴承装置。

另外，在本发明的流体轴承装置用轴构件的制造方法中，流体轴承装置用轴构件具有在轴向上分离的两个轴承面、以及形成在所述两个轴承面之间且直径比所述两个轴承面的直径小的中央避让部，所述流体轴承装置用轴构件的制造方法的特征在于，在由滑履支承中央避让部的情况下，对所述中央避让部以及所述轴承面进行同时磨削。

在这种情况下，可以考虑在通过对金属坯料的车削而形成所述中央避让部以及轴承面之后，进行上述的同时磨削。此外，也可以在锻造金属坯料之后，对中央避让部以及轴承面进行磨削，然后进行上述同时磨削。

发明效果

根据本发明的轴构件，能够提高流体动压轴承装置的轴承性能。

附图说明

图1是示出流体动压轴承装置的整体结构的剖视图。

图2是示出本发明的轴构件的主视图。

图3A是示出车削工序后的轴坯料的主视图。

图3B是示出轴构件的制造工序中的磨削工序的剖视图。

图4是示出轴构件的磨削工序的实施方式的剖视图。

图5是示出轴构件的磨削工序的比较例的剖视图。

图6是示出轴构件的磨削工序的另一实施方式的剖视图。

图7A是示出锻造工序后的轴坯料的主视图。

图7B是示出轴构件的制造工序中的磨削工序的剖视图。

图7C是示出轴构件的制造工序中的磨削工序的剖视图。

图8是示出轴构件的磨削工序的现有例的剖视图。

图9是示出以往的轴构件的磨削工序中的问题点的剖视图。

附图标记说明

1 壳体

2 轴承构件

3 轴构件

3a 轴部

3b 凸缘部

4 密封构件

10 砂轮

12 滑履

31 轴承面(凸缘相反侧)

32 轴承面(凸缘侧)

33 中央避让部

34 盘毂固定部

331 圆筒面部

332 台阶部

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

作为流体轴承装置的一例，在图1中示出了用于通用HDD的流体动压轴承装置。

该流体动压轴承装置具有有底圆筒状的壳体1、在壳体1的内周固定的圆筒状的轴承构件2、在轴承构件的内周插入的轴构件3、以及在壳体的开口部配置的密封构件4。

壳体1具有圆筒状的侧部1a、以及将侧部1a的轴向一端的开口部封闭的底部1b。壳体1的底部1b除了与侧部1a分体地形成之外，也能够与侧部1a形成为一体。轴构件3由不锈钢等形成，且具有轴部3a和在轴部3a的轴向一端设置的凸缘部3b。轴部3a与凸缘部3b除了形成为一体之外，也能够由独立构件形成。在壳体1的侧部1a的内周面固定有由烧结金属等构成的圆筒状的轴承构件2，在轴承构件2的内周插入有轴构件3的轴部3a。在底部1b的壳体内侧的端面1b1(内底面)与轴承构件2的轴向一侧的端面2a之间，配置有轴构件3的凸缘部3b。

在壳体1的内周固定有与轴承构件2的轴向另一侧的端面接触的密封构件4。壳体1的内部空间也包含由烧结金属构成的轴承构件2的内部气孔在内，全部由润滑油充满。在密封构件4的内周面与轴部3a的外周面之间形成有锥状的密封间隙6，以油面位于该密封间隙6内的方式设定壳体1内的润滑油量。一方面，锥状的密封间隙6防止润滑油向壳体1外的漏泄，另一方面，也作为对与温度变化相伴的润滑油的容积变化进行吸收的液压缓冲器发挥作用。

图2示出了本发明的轴构件3。该轴构件3的轴部3a具备两个径向轴承面31、32、中央避让部33、以及盘毂固定部34。两个轴承面31、32具有相同的直径尺寸，并且在轴向上分离地形成。在两个轴承面31、32之间配置有形成得比轴承面31、32的直径小的中央避让部33。中央避让部33具有圆筒面部331与在圆筒面部331的轴向两侧配置的台阶部332。中央避让部33的台阶部332为相对于圆筒面部331具有直径差的部分，在本实施方式中，例示了形成得比圆筒面部331直径小的台阶部332。圆筒面部331的轴向长度L2(参照图4)例如为5mm。

盘毂固定部34具有与轴承面31、32相同的直径尺寸，且形成于轴部3a的凸缘相反侧的端部。在流体轴承装置的组装完成后，保持多个磁盘的盘毂通过压入等方式固定于该盘毂固定部34。在盘毂固定部34与凸缘相反侧的轴承面31之间形成有第一凹陷部35。另外，在凸缘侧的轴承面32与凸缘部3b的上端面3b1之间形成有第二凹陷部36。

在轴部3a的轴承面31、32以及与之对置的轴承构件2的内周面中的任一方(例如轴承构件2的内周面)形成有排列为人字型等的多个动压产生槽。另外，在凸缘部3b的上端面3b1以及与之对置的轴承构件2的端面2a中的任一方(例如轴承构件2的端面2a)形成有排列为螺旋型等的多个动压产生槽。另外，在凸缘部3b的下端面3b2以及壳体1的内底面1b1中的任一方(例如壳体的内底面1b1)也同样形成有排列为螺旋型等的多个动压产生槽。

在轴构件3与轴承构件2的相对旋转时(例如轴构件3的旋转时)，在轴构件3的径向轴承面31、32与轴承构件2的内周面之间的径向轴承间隙中，通过动压产生槽产生润滑油的动压效果。另外，在凸缘部3b的上端面3b1与轴承构件2的下端面2a之间形成的推力轴承间隙、以及在凸缘部3b的下端面3b2与壳体1的内底面1b1之间形成的推力间隙中，也分别通过动压产生槽产生润滑油的动压效果。根据该结构，轴构件2被在径向方向以及推力方向这双方非接触支承。

以上所述的流体动压轴承装置中的轴构件3通过以下方式制作：如图3A所示，通过车削由金属坯料形成轴坯料38，然后如图3B所示，对轴坯料38实施圆筒磨削。

在车削工序中，在轴坯料38分别形成有轴承面31、32、中央避让部33、盘毂固定部34、第一凹陷部35以及第二凹陷部36。此时，在中央避让部33形成有圆筒面部331和台阶部332这双方。车削后的轴坯料38被转送至磨削工序，在磨削工序中利用如图4所示的圆筒状的砂轮10进行磨削加工。

在该磨削工序中，进行圆筒磨削。如图4所示，磨削中的轴坯料38以凸缘部3b的下端面与轴部3a的前端面分别由驱动板8、9夹住的状态被驱动而旋转。砂轮10具有大径部10a和小径部10b，通过将大径部10a按压于中央避让部33，将小径部10b按压于轴承面31、32和盘毂固定部34，从而同时对轴承面31、32、中央避让部33的圆筒面部331、以及盘毂固定部34进行磨削。砂轮10的大径部10a的轴向长度L1设置为比圆筒面部331的轴向长度L2长，以对圆筒面部331的整面进行磨削。另一方面，大径部10a的轴向长度L1设置为比中央避让部33的轴向长度L3短，以使得砂轮10的大径部10a不与轴承面31、32干涉。因此，L2＜L1＜L3。需要说明的是，各轴向长度L1、L2、L3是指不包含与大径部10a、圆筒面部331、以及中央避让部33各自的轴向两侧邻接的倒角的长度。

经过以上的磨削工序，轴承面31、32、圆筒面部331以及盘毂固定部34成为残留有磨削痕的磨削面。另一方面，台阶部332、第一凹陷部35、以及第二凹陷部36成为残留有车削痕的车削面。另外，轴承面31、32、圆筒面部331以及盘毂固定部34与台阶部332、第一凹陷部35以及第二凹陷部36相比，表面精度(表面粗糙度、圆度等)良好。

磨削中的轴坯料38由作为支承砂轮载荷的支承构件的滑履12支承。滑履12的轴向长度比中央避让部33的圆筒面部331的轴向长度L2短。因此，在磨削中，滑履12的整面相对于中央避让部33的圆筒面部331滑动。也可以考虑将滑履12在轴向上大型化从而由滑履12支承轴部3a的整面，但根据所述结构，滑履12与轴坯料38的接触部位不固定于一处，因此存在磨削中的轴坯料38的姿态反而不稳定的问题。因此，如上所述，优选滑履12设定为仅与圆筒面部331接触的轴向长度。通过相对于磨削中的滑履12的滑动，在圆筒面部331的表面形成有滑履的划痕(滑履痕迹)。

在轴承面31、32以及圆筒面部331的磨削完成后，对凸缘部3b的两端面进行磨削，并进一步根据需要对轴坯料38整体进行最终精加工(滚磨等)，由此完成图2所示的轴构件3。之后，将轴构件3以凸缘部3b朝向壳体底部侧的方式收容于壳体1内，并且将轴承构件2以及密封构件4依次收容于壳体1内，将各构件2、4固定于壳体1，由此组装流体动压轴承装置。通过在上述组装前向壳体1内预先注入、或在组装完成后进行真空浸渍等，向壳体1内供给润滑油。由此，至少径向轴承间隙、推力轴承间隙、以及由中央避让部33及轴承构件2的内周面形成的间隙被润滑油充满(优选壳体1内的全部空间被润滑油充满)，从而完成图1所示的流体动压轴承装置。

另外，图2所示的轴构件3在适用于服务器等的高容量型HDD用的流体动压轴承装置中使用。在这种流体动压轴承装置中，盘张数多，因此一方面要求高的轴承刚性，另一方面为了降低消耗功率而要求轴承转矩尽可能低。为满足以上要求，图2所示的轴构件3与通用轴构件相比使中央避让部33的轴向长度变长，从而轴承跨度变长。具体而言，图2的轴构件3中的、轴承面中心间距离S(轴承面31、32的轴向中心间的距离)与中央避让部33的轴向长度之比(S/L3)处于1.1＜S/L3＜2.5的范围内(将具有该特征的轴部称为“长轴型”)。

在本发明中，通过对中央避让部33的一部分进行磨削，而在中央避让部33形成高精度区域(圆筒面部331)。即，在中央避让部33形成有表面粗糙度小的高精度区域(圆筒面部331)和表面粗糙度大的低精度区域(台阶部332)。在对轴承面31、32进行磨削时，通过由滑履支承该高精度区域，能够提高轴承面31、32的磨削精度。另外，通过由滑履12支承中央避让部33的圆筒面部331，能够使磨削载荷的作用线(磨削载荷中心线)接近由滑履12支承的区域，优选能够配置于由滑履12支承的区域中。在这种情况下，由滑履12支承的区域与各轴承面31、32之间的轴向距离之差变小。因此，磨削中的轴坯料38不易振摆回转，即便振摆回转也能够减小对两个轴承面31、32的磨削精度产生的影响。根据以上所述的作用，能够提高磨削后的轴承面各自的表面精度(圆度等)，进一步提高两个轴承面相互间的精度(同轴度等)。

并且，将中央避让部33的圆筒面部311与轴承面33、32同时磨削，因此圆筒面部311成为对轴承面31、32进行磨削时的加工基准。因此，在圆筒面部331与轴承面31、32之间能够确保高同轴度(例如10μm以下的同轴度)。通过由滑履12支承相对于轴承面31、32而高精度地保持为同轴的圆筒面部311，能够进一步提高轴承面31、32的磨削精度。

以上所述的作用效果也能够通过使用图5所示的成形砂轮13对轴承面31、32与中央避让部33进行同时磨削而得到。然而，根据所述结构，中央避让部33处的磨削加工余量比轴承面31、32处的磨削加工余量大，因此有必要在进行轴承面31、32的磨削前开始中央避让部33处的磨削。因此，产生磨削时间长、制造成本高的问题。另外，在由修整器等成形工具进行砂轮10的成形时，若成形工具的磨损发展，则砂轮10的大径部10a与小径部10b的边界角部的位置会发生变动。而这与磨削的轴承面31、32的轴向长度的变动相关联，因此在轴承功能方面不优选。与此相对，像本发明那样通过在中央避让部33中的、圆筒面部331的轴向两侧形成相对于圆筒面部331具有直径差的台阶部332，能够防止所述不良情况。

一方面，在中央避让部33与轴承构件2的内周面之间的间隙的容积过大时，壳体1内的润滑油量与之相应地增加，与温度变化相伴的油位的变动变大，因此需要使密封间隙6大型化。为防止所述不良情况，优选中央避让部33与轴承构件2的内周面之间的容积尽可能小。另一方面，在中央避让部33与轴承构件2的内周面之间的间隙宽度过小时，转矩损失增大。为解决以上的问题，如图2所示，优选圆筒面部331与台阶部332的直径尺寸的直径差(2×d)、台阶部的轴向长度L4、L5尽可能小。具体而言，所述直径尺寸的直径差设为80μm以下，优选设为50μm以下。另外，各台阶部332的轴向长度L4、L5均为4mm以下。

在以上说明的实施方式中，在中央避让部33处，使台阶部332的外径尺寸比圆筒面部331的外径尺寸小，但也可以与此相反地，如图6所示那样使台阶部332的外径尺寸比圆筒面部331的外径尺寸大。但是，在这种情况下，台阶部332的外径尺寸也比轴承面31、32的外径尺寸小。根据所述结构，台阶部332被砂轮稍微磨削，磨削加工余量非常少，因此加工时间不会很长。另外，因砂轮成形工具的磨损造成的轴承面31、32的轴向长度的变动也不会成为问题。

在以上的说明中，对通过车削大致形成中央避让部33、轴承面31、32以及盘毂固定部34等，然后将上述的部分通过圆筒磨削而精加工的情况进行了说明，但轴构件3的制作顺序并不限定于此。例如，如图7A所示，锻造成形轴坯料38，然后如图7B所示，通过由成形砂轮14进行的角磨形成中央避让部33、轴承面31、32、盘毂固定部34、第一凹陷部35以及第二凹陷部36的各部分，之后，也可以考虑如图7C所示，将轴承面31、32、盘毂固定部34通过圆筒磨削精加工的顺序。在这种情况下，通过采用图4、图6所示的磨削方法作为图7C所示的圆筒磨削，能够得到与上述同样的作用效果。

在按照该顺序制作的轴构件3中，轴承面31、32、圆筒面部331、盘毂固定部34、台阶部332、第一凹陷部35以及第二凹陷部36均为磨削面。但是，台阶部332、第一凹陷部35、以及第二凹陷部36的各部分为通过角磨实施的磨削面，而轴承面31、32、圆筒面部331、以及盘毂固定部34的各部分为在角磨的基础上实施了圆筒磨削的磨削面。因此，通常后者的表面精度(表面粗糙度、圆度等)比前者良好。

在以上的说明中，例示了用于服务器用HDD的流体动压轴承装置，但本发明的流体轴承装置并不限定于HDD，能够广泛用于各种用途。另外，流体动压轴承装置的结构并不限定于图1所示的结构。

Claims (10)

1.一种流体轴承装置用轴构件，其在外周面具有在轴向上分离的两个轴承面、以及形成在所述两个轴承面之间且直径比所述两个轴承面的直径小的中央避让部，所述流体轴承装置用轴构件的特征在于，

在所述中央避让部设置有由磨削面构成的圆筒面部、以及配置于圆筒面部的轴向两侧且相对于所述圆筒面部具有直径差的台阶部。

2.根据权利要求1所述的流体轴承装置用轴构件，其中，

在圆筒面部形成有滑履痕迹。

3.根据权利要求1或2所述的流体轴承装置用轴构件，其中，

圆筒面部与台阶部的直径尺寸的直径差为80μm以下。

4.根据权利要求1或2所述的流体轴承装置用轴构件，其中，

台阶部的轴向长度为4mm以下。

5.根据权利要求1或2所述的流体轴承装置用轴构件，其中，

所述台阶部为车削面。

6.根据权利要求1或2所述的流体轴承装置用轴构件，其中，

所述台阶部为磨削面。

7.一种流体轴承装置，其具有：

权利要求1至6中任一项所述的轴构件；以及

在轴构件的外周配置的轴承构件，

在轴构件的轴承面与轴承构件的内周面之间形成有径向轴承间隙。

8.一种流体轴承装置用轴构件的制造方法，所述流体轴承装置用轴构件具有在轴向上分离的两个轴承面、以及形成在所述两个轴承面之间且直径比所述两个轴承面的直径小的中央避让部，在所述中央避让部形成有圆筒面部，所述流体轴承装置用轴构件的制造方法的特征在于，

在由滑履仅支承所述中央避让部的圆筒面部的情况下，对所述中央避让部以及所述轴承面进行同时磨削。

9.一种流体轴承装置用轴构件的制造方法，其中，

在通过对金属坯料的车削而形成所述中央避让部以及轴承面之后，进行权利要求8所述的方法的同时磨削。

10.一种流体轴承装置用轴构件的制造方法，其中，

在锻造金属坯料之后，对所述中央避让部以及轴承面进行磨削，然后进行权利要求8所述的方法的同时磨削。

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