CN1573147A - 气体动压轴承单元、主轴马达，硬盘驱动器、多角形扫描器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种具有高刚度和可靠性的气体动压轴承系统。该单元这样构成，即推力轴承沿径向方向在压力作用下发送润滑气体，且径向轴承朝向所述推力轴承发送所述气体，从而增加轴承刚性。另外，构成所述推力轴承的一个或多个动压产生槽延伸到在轴中形成的微粒捕获孔并与该孔连接。通过这样的构造，灰尘微粒被捕获在所述捕获孔内从而与所述轴承间隙隔开。

Description

气体动压轴承单元、主轴马达、硬盘驱动器、多角形扫描器

技术领域

本发明涉及一种气体动压轴承系统。本发明还涉及利用所述气体动压轴承系统的主轴马达、数据存储磁盘驱动器和多角形扫描器(polygonscanner)。

背景技术

近年来，提高硬盘驱动器或光盘驱动器的信息的存取速度和提高数字复印机和激光打印机的打印质量和速度的要求日益增加。为了满足这些要求，提高了在所述机器中使用的主轴马达的旋转速度和精度。同时还需要精度更高的主轴马达用于这些机器。

为了提高主轴马达的旋转速度和精度，提出了将气体动压轴承系统用作主轴马达的轴承系统。当转动部件转动时，所述气体动压轴承系统通过在部件之间形成的微小间隙中填充的气体所产生的动压以非接触方式支撑转动部件。

但是在所述气体动压轴承系统中，在转动开始或停止时，轴承面相互接触且由于磨损而形成磨损微粒。这样的磨损微粒积累在推力轴承的间隙中并将最终进入径向轴承的微小间隙内。径向轴承的轴承面之间的间隙小于推力轴承的轴承面之间的间隙，且径向轴承面易于被所述磨损微粒损坏。所述磨损微粒的某些部分可能会离开轴承系统并污染磁盘室(disk chamber)。这种情况会引起磁盘数据的读取错误或写入错误，并且损坏磁盘的记录面或磁头。

一些现有技术的轴承系统具有循环通路，用于使润滑气体在轴承内循环，该通路包括连接轴承间隙的两端部分的附加通孔。虽然一部分灰尘微粒在经过通孔的过程中被捕获，但是由于润滑气体的压力由于所述通孔而减小，因此所述轴承系统的刚性不足。

因此，本技术领域需要一种刚性足够并具有微粒捕获机构的气体动压轴承系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种新式的气体动压轴承系统，在该系统中防止由轴承面的滑动运动产生的磨损微粒损坏所述轴承系统的内部，同时保持轴承刚性足够大。

在本发明的气体动压轴承系统中，推力轴承增加朝向径向轴承的气体压力。所述径向轴承增加朝向所述推力轴承的气体压力。通过这两个作用，在所述推力轴承的间隙与所述径向轴承的间隙之间的环形微小间隙部分附近的轴承间隙内所填充的气体被施加高压。在这种状态下，通过轴的转动而产生的动压较高，从而刚性地支撑所述轴。因此，气体动压轴承系统显示出高刚性而不缩小所述轴承间隙。

在轴承系统开始转动和停止转动时，所述轴承面直接接触，产生磨损微粒。由于轴承面的间隙在径向轴承间隙处十分小，因此如果磨损微粒进入径向轴承间隙，就会损坏所述径向轴承面，且轴承转动异常。因此，需要某些装置来防止所述磨损微粒进入所述径向轴承间隙。

在额定转动时，所述径向轴承朝向所述推力轴承作用的油压大于所述推力轴承朝向所述径向轴承作用的油压。因此，在该状态下，非常少的磨损微粒进入所述的径向轴承间隙，且所述微粒累积在推力轴承面之间或累积在它们的外周部分。

但是，当所述轴承开始转动或停止转动时，由于径向轴承产生更小的压力且所述推力轴承面之间的微粒趋于被动压产生槽排传送，因此存在磨损微粒进入径向轴承间隙的危险。

因此，在本发明中，所述推力轴承的一部分动压产生槽被延伸以形成微粒捕获孔(particle catching hole)。由于动压产生槽和用于捕捉微粒的孔连续形成，所以所述磨损微粒极有可能进入所述孔并保留在所述孔中。

由于这样的构造，所述轴承系统的寿命得以提高，且其可靠性也得到提高。另外，由于微粒被捕获在所述微粒捕获孔中，因此该轴承系统适用于要求洁净的场合中，诸如硬盘驱动器。

用于捕捉所述微粒的孔可以通过在所述轴的外周表面上直接形成孔而形成。

在所述轴上形成孔有多种其他方法。其中一种方法包括两个步骤。首先，在所述轴的轴向表面上形成一个或多个槽，所述轴在轴向中间部分处的直径大且在两端部分处的直径小，从而在所述端部和中间部分之间形成阶梯，所述阶梯在径向方向上延伸。其次，所述阶梯上的槽被止推板的表面覆盖且所述槽变为孔，同时所述止推板上的槽的内端对齐以与阶梯上的槽的外端匹配。在所述阶梯表面上刻槽的过程可以取消。这样，止推板上的一个或多个槽向内延伸且延伸的部分被所述阶梯表面覆盖。

当所述轴的材料不易被钻孔时，这些可选的其他方法是适用的，以减少加工成本。

在本发明的气体动压轴承系统中，在高速旋转时轴承损耗很小。因此，如果该气体动压轴承系统使用在用于驱动记录信号的磁盘(诸如硬盘或高速光盘)的主轴马达中，则能获得优选的结果。

同样，该轴承系统能适用于需要以特别高的速度转动的多角镜扫描器(polygon mirror scanner)。

由于从所述轴承系统中漏出的微粒量很少，如果该轴承系统应用于硬盘的主轴马达，则可以降低磁盘表面被微粒污染的可能性，且提高磁盘的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明的气体动压轴承系统的剖面图；

图2是本发明的气体动压轴承系统在微粒捕获孔附近的放大剖面图1；

如3是本发明的气体动压轴承系统在微粒捕获孔附近的放大剖面图2；

图4是本发明的气体动压轴承系统在微粒捕获孔附近的放大剖面图3；

图5是在止推板表面上形成的槽结构的平面图；

图6是在所述止推板表面和外轴端上形成的槽结构的平面图；

图7是根据本发明的主轴马达的剖面图；

图8是根据本发明的数据存储磁盘驱动器的剖面图；和

图9是根据本发明的多角形扫描器的剖面图。

具体实施方式

(第一实施例)

下面参照图1，2和5来说明本发明的第一实施例。

图1所示的气体动压轴承系统9包括固定部1和转动部2。径向轴承3和推力轴承4可转动地支撑所述转动部2，使得所述转动部2能相对于固定部1转动。

固定部1包括轴14和两个在轴14的轴向方向上相互分离的两个止推板15。每个止推板15的一表面径向扩展，构成固定部的平面，且推力轴承面13形成在该平面上。

轴14包括内轴14a和套在内轴14a上的外轴14b。通过安装外轴14b，所述轴形成有柱状扩大部分。扩大部分的外周面为径向轴承面11。止推板15的下表面为推力轴承面13。

转动部2包括套筒24和套在套筒24上的毂62。套筒24为中空柱形，具有沿套筒24的轴向穿透套筒24的孔。套筒24的内周表面为径向轴承面21。套筒的一轴端表面沿其径向方向扩展构成转动部的平面，且推力轴承面23形成在该平面上。

固定部1的径向轴承面11和套筒的径向轴承面21通过一微小的间隙相互对置。该微小的间隙填充有气体。在固定部侧上的径向轴承面上形成有径向动压产生槽排。在每个槽排中，多个动压产生槽沿圆周方向排列在所述轴承面上。在如图1所示的结构的情况下，在轴向方向上形成两个相互分离的径向动压产生槽排32和32。每个槽排构成径向轴承，且两个径向轴承支撑所述转动部2。

固定部1的推力轴承面13和转动部2的推力轴承面23通过微小的间隙相互对置(图2)。该微小的间隙填充有气体。在固定部1的推力轴承面13上形成有推力动压产生槽排42。在该槽排中，多个动压产生槽沿圆周方向排列在所述轴承面上，从而构成所述推力轴承。

在图2中，双线32b和42b倾斜到轴承面附近表示该动压产生槽排在所述轴承面上产生气压差，且与该双线自轴承面的近端相比，在该双线从轴承面分离的端部处的气压增大。

也就是说，在图2中，推力动压产生槽排42用于增大朝向在径向轴承的间隙与推力轴承的间隙之间的环形微小间隙部分102的气体压力。同样，径向动压产生槽排32(图2中未示出)用于增大朝向环形微小间隙部分102的压力。

这里，径向轴承的间隙和推力轴承的间隙在轴承的整个周边上相互连接，且环形微小间隙部分102也形成为环形。填充在微小间隙中的气体能流动通过环形微小间隙部分。

在额定转动时，径向动压产生槽排产生的压力差高于推力动压产生槽排产生的压力差。因此填充在所述轴承的微小间隙中的气体趋于从径向轴承朝向推力轴承移动。但是，如果该趋势一直保持，则气体通过夹在两个径向动压产生槽排32和32之间的区域而损失，且存在使气体动压轴承系统操作异常的不利的可能性。因此，转动部形成有流通通路53。即，所述径向轴承通过该流通通路53补充在其轴承间隙的压力下降的侧边上的气体不足(deficiency)。在额定转动时，从径向动压产生槽排之间的空间损失的气体由流经所述流通通路53b，53c和53a的气体补充。该流通通路53通过圆周空间连接到轴承间隙压力下降的推力轴承侧。当轴承系统开始转动和停止转动时，由推力动压产生槽排42产生的压力差变得比由径向动压产生槽排32产生的压力差相对要高。因此，通过所述流通通路53的气流反向。

在轴承面直接接触时产生的灰尘主要产生在推力轴承侧上。如果微粒进入径向轴承，则轴承面被损坏且被严重影响。这是因为径向轴承的轴承面之间的微小间隙小于推力轴承的微小间隙。在额定转动时，轴承中的气体从径向轴承流动到推力轴承，且还作用有离心力。因此，在推力轴承中产生的微粒进入径向轴承的可能性较小。当轴承系统开始转动和停止转动时，由于在某些情况下气体可能从推力轴承流动到径向轴承，因此需要捕捉所述微粒并减少微粒侵入所述径向轴承。

为此，提供微粒捕获孔100。图5是止推板15的平面图。图5表示推力动压产生槽排42和通过延伸它们的槽而形成的微粒捕获孔100。但是在图5中，微粒捕获孔100是槽而不是孔。由于止推板15沿外轴14b的轴向方向安装在外轴14b的端面上，因此图5中的槽结构100的开口被外轴端面封闭并成为微粒捕获孔100。

由于每个微粒捕获孔100在推力动压产生槽的一端101附近开口，因此推力轴承中的微粒被有效地引入孔中并被捕捉。由于固定部1的一侧上的轴承总是形成有微粒捕获孔，因此由转动而引起的离心力不作用于被捕捉的微粒，且微粒基本不可能返回到轴承中。

根据图1所示的气体动压轴承系统，有效地阻止了推力轴承中的微粒进入径向轴承，从而提高了轴承系统的寿命和可靠性。由于微粒被捕捉，因此减小了微粒被排放到轴承系统外部的可能性。

(第一实施例的变型)

下面参照图3，4和6来说明第一实施例的变型。

在图3中，在外轴14b的一端而不是止推板15形成微粒捕获孔。图6是微粒捕获孔的平面图。在该示例中，微粒捕获孔100b在止推板15安装在外轴端上之前还是槽。所述槽的开口被止推板15封闭，因此所述开口成为微粒捕获孔100b。

根据图3所示的结构，推力动压产生槽排42的端部101b朝向外轴14b稍微伸出，且与微粒捕获孔100b部分重叠。由于这种结构，推力动压产生槽中的微粒被有效地引入微粒捕获孔。在构成推力动压产生槽排42的动压产生槽中，如果只有与微粒捕获孔100b重叠的动压产生槽伸出，就能实现上述效果。

并不总是需要使动压产生槽42的端部伸出，且所述端部可以不与微粒捕获孔100b重叠，如图4所示。只有当所述微粒捕获孔的开口和推力动压产生槽排的端部101c相互对置时，才能获得捕捉微粒的效果。在构成所述推力动压产生槽排42的动压产生槽之中，如果只有与微粒捕获孔100c重叠的动压产生槽与微粒捕获孔100b的开口相对，就能实现上述效果。

(第二实施例)

下面参照图7来说明本发明的第二实施例。

图7是具有本发明的气体动压轴承系统9的主轴马达64的剖面图。

气体动压轴承系统9包括径向动压产生槽排32和32，和两个沿轴的延伸方向相互分开的径向轴承。气体动压轴承系统9还包括设置在两个相对的止推板上的推力动压产生槽排42和42，并包括在相反方向产生支撑力的两个推力轴承。在套筒上示出的双线与图2所示的双线的含义相同。推力轴承上的动压产生槽增大朝向径向轴承的气体压力，该气体润滑所述轴承面。径向轴承上的动压产生槽增大朝向推力轴承的气体压力，该气体润滑所述轴承面。

由于推力和径向动压产生槽的作用而产生的两个径向轴承之间的气体与推力轴承外部的气体之间的压力差通过提供流通通路53来克服。流通通路53的一端53a在两个径向轴承之间开口。这一点与图1所示的气体动压轴承相同。另一方面，流通通路53的其他端53b，53b在止推板的上侧和下侧开口。流通通路53形成在内轴中。

这种结构便于流通通路的工作。这是因为由于内轴14a的任一部分都不直接滑动，因此所述流通通路可以由普通金属材料制成。另一方面，外轴、止推板和套筒的轴承面必须由具有良好的抗磨损性能和高硬度的陶瓷制成。根据图7所示的流通通路的结构，由于离心力作用于在推力轴承中产生的微粒，因此微粒几乎不可能到达流通通路的开口53b。因此流通通路的内部几乎不可能被微粒污染。

当力朝向径向轴承作用于推力轴承中的微粒时，所述微粒被微粒捕获孔捕捉，该捕获孔连续地设置在动压产生槽42中，且阻止所述微粒进入径向轴承。

在具有所述气体动压轴承系统的主轴马达64中，在套在套筒24上的毂62上放置一记录盘932。轴14固定在基座63上，且定子60安装在所述基座上。转子磁铁61环形地设置在毂62的下部上。磁铁的磁极与定子相对。

根据具有上述结构的主轴马达，在轴承中产生的微粒并没有从轴承排出，且这些微粒将立刻被微粒捕获孔100捕捉。因此，该轴承系统的可靠性高且主轴马达不排出微粒。因此，该主轴马达尤其适合于需要高速旋转的硬盘驱动器。

(第三实施例)

图8所示为本发明的第三实施例。

图8表示具有本发明的主轴马达的数据存储磁盘驱动器910。

在数据存储磁盘驱动器910的壳体911中，记录盘932安装在主轴马达9上，且由摆臂915支撑的磁头916以一微小距离(微小的间隙)与磁盘932的一表面相对。当微粒进入所述微小间隙时，微粒损坏所述记录盘表面和磁头，并造成信息的读取和写入错误。因此，壳体911内不应存在微粒。

当本发明的主轴马达用于数据存储磁盘驱动器时，由于很难将微粒排入壳体911中，因此该主轴马达能以高速旋转，并能保证所述数据存储磁盘驱动器的可靠性。

(第四实施例)

图9所示为本发明的第四实施例。

图9表示具有本发明的主轴马达64的多角形扫描器(polygonscanner)940。

在主轴马达64中，多角镜960安装在毂62上，且主轴马达以高速旋转。主轴马达64和镜子960容置在壳体950中，且主轴马达64和镜子960反射从盖子950的侧面的可透光束的狭缝952进入的光。该狭缝952被透明玻璃盖953覆盖。

主轴马达64包括本发明的气体动压轴承系统9，且该主轴马达的轴承刚性高，但几乎没有由于在轴承系统中微粒的产生而引起的问题。微粒捕获孔100与推力动压产生槽排42连续地设置且微粒被捕捉在该槽排中。因此，微粒进入径向轴承面而该轴承面不被损坏。

本发明并不限于上述实施例。例如，虽然附图所示的动压产生槽只在构成动压气体轴承系统的一个表面上，但是所述槽也可以设置在构成所述动压气体轴承系统的另一表面上，或者可以设置在这两个表面上。图中所示的动压产生槽的形状与相应实施例对应，但是也可以采用其他形状，且能获得与本发明相同的效果。如图2和7所示，每个动压产生槽增大了沿说明书中示出的方向润滑轴承的气体的压力。虽然空气用作润滑轴承的气体，但是除空气外的其他气体也能用作润滑轴承的气体，只要该气体不是腐蚀性气体。

虽然图5和6中所示的微粒捕获孔的数量为四个，但是该数量并不限于四个。孔的数量可以与推力动压产生槽排中的槽的数量相同，或者为每一个推力动压产生槽的开口形成两个微粒捕获孔。即使微粒捕获孔的数量超过四个，这也没有脱离本发明的范围。

下面将解释说明书中的术语“间隙”。说明书中的间隙表示在这样状态下的轴承面之间的间隙，即气体动压轴承系统或主轴马达转动，由推力轴承和径向轴承产生支撑力，且轴承面保持非接触状态。因此，当产品被停止以进行检查时，在某些情况下看不见推力轴承面之间的间隙。即使在这种情况下，轴承系统也具有游隙从而轴本体或套筒能浮动。由于存在所述的游隙，因此轴承能转动，且在产生足够支撑力的状态下轴承面之间的间隙被保持。即使在轴承停止时在视觉上看不见任何间隙的情况下，如果在分子级上观察轴承，轴承面接触的部分也非常小。从这一点看，可以认为所述间隙基本上遍布轴承的相对表面的整个区域。

Claims (12)

1、一种气体动压轴承单元，其包括：

固定部，其具有柱形的外周面和沿该柱形外周面的径向方向延伸的平面；

转动部，其具有：带有柱形内周面的孔，和沿该柱形内周面的径向方向延伸的平面，所述的固定部插入所述的轴承孔，从而所述的固定部和转动部能相互相对转动；

径向轴承，其包括形成在所述外周面和所述内周面上的径向轴承面；形成在所述轴承面中的一个或两个上的径向动压产生槽排；形成在这些轴承面之间的径向微小间隙；和填充所述微小间隙的气体；和

推力轴承，其包括分别形成在所述固定部的所述平面上和所述转动部的所述平面上的推力轴承面；形成在所述推力轴承面中的一个或两个上的推力动压产生槽排，形成在这些推力轴承面之间的轴向微小间隙；和填充所述微小间隙的气体，其中：

所述径向微小间隙通过一环形微小间隙部分与所述轴向微小间隙连接；

在所述固定部和所述转动部相对转动的过程中，所述推力轴承增大朝向所述环形微小间隙部分的所述气体的压力；

在所述固定部和所述转动部相对转动的过程中，所述径向轴承增大朝向所述环形微小间隙部分的所述气体的压力；

与在所述环形微小间隙部分处的气体压力相比所述气体压力减小的所述径向微小间隙的一部分与所述轴向微小间隙的一部分连通，其中，与在所述环形微小间隙部分处的气体压力相比，该部分轴向微小间隙的气体压力减小；和

在所述固定部中形成至少一个微粒捕获孔，该捕获孔沿所述柱形外周面的径向延伸，朝向所述环形微小间隙部分开口，所述开口与构成所述动压产生槽排的其中一个槽的一端相邻。

2、如权利要求1所述的气体动压轴承单元，其特征在于，

所述固定部包括轴和止推板，所述柱形外周面为轴的周面，且所述平面为所述止推板的表面；和

所述转动部包括柱形中空套筒，所述轴承孔为该套筒的中空部，所述柱形内周面为套筒的中空部的内周面，且所述转动部的平面为所述套筒的轴向端部平面。

3、如权利要求2所述的气体动压轴承单元，其特征在于，

所述轴包括扩大部分，该扩大部分的直径比轴的其他部分大，所述径向轴承面为该扩大部分的周面，该扩大部分的一轴向端部具有垂直于该轴的轴线延伸的平面，

所述止推板的一侧与所述扩大部分的平面进行面接触且固定到该平面上；

在所述平面和所述止推板的一个侧面的其中之一上或在两者上形成沿所述轴的径向延伸的槽；和

所述槽的开口侧被所述止推板的所述一个侧面和扩大部分的平面之间的面接触封闭，从而形成所述微粒捕获孔。

4、如权利要求3所述的气体动压轴承单元，其特征在于，

所述轴包括内轴和套在所述内轴上的外轴；和

所述扩大部分包括所述外轴。

5、如权利要求3所述的气体动压轴承单元，其特征在于，

所述扩大部分的两个轴端分别具有所述平面；

所述固定部具有两个止推板，这两个止推板与所述平面进行面接触且固定在所述平面上，所述止推板分别包括推力轴承面，所述推力轴承面相互相对设置；

所述转动部的所述套筒在所述套筒的两个轴向端部分别具有所述平面，所述平面分别包括推力轴承面，所述推力轴承面以背对背的关系相互相对设置；和

两个推力轴承形成在所述套筒的两个轴向端部。

6、如权利要求4所述的气体动压轴承单元，其特征在于，

所述扩大部分的两个轴端分别具有所述平面；

所述固定部具有两个止推板，这两个止推板与所述平面进行面接触并固定在该平面上，所述止推板分别具有推力轴承面，所述推力轴承面相互相对设置；

所述转动部的所述套筒在套筒的两个轴向端部分别具有所述平面，所述平面分别包括推力轴承面，所述推力轴承面以背对背的关系相互相对设置；和

两个推力轴承形成在所述套筒的两个轴向端部。

7、一种主轴马达，其包括：

如权利要求3所述的气体动压轴承单元；

与所述转动部一体转动的毂；

固定到所述固定部上的定子；和

固定到所述毂上从而与所述定子相对的转子磁铁，且该转子磁铁与所述定子一起构成磁路。

8、一种主轴马达，其包括：

如权利要求5所述的气体动压轴承单元；

与所述转动部一体转动的毂；

固定到所述固定部上的定子；和

固定到所述毂上从而与所述定子相对的转子磁铁，且该转子磁铁与所述定子一起构成磁路。

9、一种主轴马达，其包括：

如权利要求6所述的气体动压轴承单元；

与所述转动部一体转动的毂；

固定到所述固定部上的定子；和

固定到所述毂上从而与所述定子相对的转子磁铁，且该转子磁铁与所述定子一起构成磁路。

10、一种记录盘驱动器，其包括：

壳体；

如权利要求7所述的主轴马达，所述主轴马达固定在所述壳体上；

盘状记录介质，其固定到所述毂上，所述记录介质能存储信息；和用于在所述记录介质的预定位置上写入和/或读取信号的单元。

11、一种记录盘驱动器，其包括：

壳体；

如权利要求8所述的主轴马达，所述主轴马达固定在所述壳体上；盘状记录介质，其固定到所述毂上，所述记录介质能存储信息；和用于在所述记录介质的预定位置上写入和/或读取信号的单元。

12、一种多角形扫描器，其包括：

壳体；

如权利要求8所述的主轴马达，所述主轴马达固定在所述壳体上，和固定在所述毂上的多角镜。

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