DE69523769T2 - Hemispherical fluid bearing - Google Patents
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- Sliding-Contact Bearings (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lager und insbesondere ein halbkugelförmiges Fluidlager.The present invention relates to a bearing and, in particular, to a hemispherical fluid bearing.
Im allgemeinen werden Fluidlager zur Lagerung von Artikeln verwendet, die mit hoher Geschwindigkeit rotieren. Ein herkömmliches Kontaktlager, wie z.B. ein Kugellager oder ein Walzenlager erzeugt bei hoher Drehzahl starke Schwingungen und Geräusche und rotiert instabil. Im Gegensatz dazu schwingt ein Fluidlager, welches mit hoher Drehzahl in kontaktloser Weise rotiert, selten und rotiert stabil. Daher kann das Fluidlager seine Anwendungen in Spindelmotoren oder Festplattenantrieben finden, welche schnell rotieren müssen, oder in einem Antriebsmotor für ein rotierenden Mehrfachoberflächenspiegel, der in Laserdruckern oder Laserscannern angewendet wird.Generally, fluid bearings are used to support items that rotate at high speed. A conventional contact bearing such as a ball bearing or a roller bearing generates large vibrations and noises at high speed and rotates unstably. In contrast, a fluid bearing that rotates at high speed in a non-contact manner rarely vibrates and rotates stably. Therefore, the fluid bearing can find its applications in spindle motors or hard disk drives that need to rotate quickly, or in a drive motor for a rotating multi-surface mirror used in laser printers or laser scanners.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen halbkugelförmigen Lagers, welches eines von den Fluidlagern ist (EP 0 376 647 A). Gemäß Darstellung besteht das herkömmliche halbkugelförmige Fluidlager aus einem oberen inneren Ring 20 und einem unteren inneren Ring 30, welche jeweils eine halbkugelförmige Außenoberfläche aufweisen, welche auf der Welle 10 eines Motors so befestigt sind, daß sie Seite an Seite einander gegenüberliegen, einem äußeren Ring 50, der in einem Lagergehäuse 40 befestigt ist, einem Ring 60, um den oberen inneren Ring 20 und den unteren inneren Ring 30 vor einer Ablösung von der Welle 10 zu bewahren, einem Abstandshalter 70 der zwischen dem oberen inneren Ring 20 und dem unteren inneren Ring 30 angeordnet ist, um einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Ring 50 und dem oberen inneren Ring 20, und zwischen dem äußeren Ring 50 und dem unteren inneren Ring 30 aufrechtzuerhalten.Fig. 1 is a sectional view of a conventional hemispherical bearing which is one of the fluid bearings (EP 0 376 647 A). As shown, the conventional hemispherical fluid bearing consists of an upper inner ring 20 and a lower inner ring 30 each having a hemispherical outer surface which are mounted on the shaft 10 of a motor so as to face each other side by side, an outer ring 50 mounted in a bearing housing 40, a ring 60 for preventing the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 from coming off the shaft 10, a spacer 70 disposed between the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 for maintaining a clearance between the outer ring 50 and the upper inner ring 20, and between the outer ring 50 and the lower inner ring 30.
Der äußere Ring 50 unterstützt den oberen inneren Ring 20 und den unteren inneren Ring 30 so, daß sie rotieren können. Da Schmieröl den Zwischenraum zwischen dem äußeren Ring 50 und den inneren Ringen 20 und 30 füllt, und eine Fluidreibung zwischen diesen erzeugt, können der obere innere Ring 20 und der untere innere Ring 30 ohne Erzeugung eines Kontakts mit dem Außenring 50 rotieren. Daher erzeugt ein Motor, der das halbkugelförmige Fluidlager verwendet, keine Schwingung und seine Rotation ist stabil.The outer ring 50 supports the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 so that they can rotate. Since lubricating oil fills the gap between the outer ring 50 and the inner rings 20 and 30 and generates fluid friction between them, the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 can rotate without generating contact with the outer ring 50. Therefore, a motor using the hemispherical fluid bearing does not generate vibration and its rotation is stable.
Das herkömmlich halbkugelförmige Fluidlager zeigt jedoch einen deutlichen Nachteil dahingehend, daß sich die Kontaktoberflächen des äußeren Ring 50 und der oberen inneren Ringe 20 und unteren inneren Ringe 30 abnutzen, wenn der Motor startet und stoppt. Das heißt, es tritt eine Festkörperreibung zwischen dem äußeren Ring 50 und dem oberen inneren Ring 20 und zwischen dem äußeren Ring 50 und dem unteren inneren Ring 30 bei oder unterhalb einer Schwellenwertdrehzahl auf, und beschleunigt somit die Abnutzung. Demzufolge nimmt die Betriebslebensdauer des halbkugelförmigen Fluidlager ab.However, the conventional hemispherical fluid bearing has a significant disadvantage in that the contact surfaces of the outer ring 50 and the upper inner rings 20 and lower inner rings 30 wear when the engine starts and stops. That is, solid friction occurs between the outer ring 50 and the upper inner ring 20 and between the outer ring 50 and the lower inner ring 30 at or below a threshold speed, thus accelerating the wear. As a result, the service life of the hemispherical fluid bearing decreases.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines halbkugelförmige Fluidlagers, welches wirksam die durch Festkörperreibung bewirkte Abnutzung verringern kann.The object of the present invention is to provide a hemispherical fluid bearing which can effectively reduce the wear caused by solid friction.
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird ein halbkugelförmiges Fluidlager bereitgestellt, das ein Paar innerer Ringe, die jeweils eine kugelförmige äußere Schmierfläche aufweisen, welche an einer Welle so befestigt sind, daß sie einander zugewandt sind, und einen äußereren Ring mit einer Schmierfläche, die den Schmierflächen der inneren Ringe entspricht, um die Drehung der inneren Ringe zu unterstützen umfaßt, wobei wenigstens einer von dem inneren Ring und dem äußeren Ring eine erste Filmbeschichtung aus Titan oder Keramik auf der Schmierfläche desselben aufweist, wobei eine zweite Filmbeschichtung aus diamantartigem Kohlenstoff auf der ersten Filmbeschichtung ausgebildet ist. Der äußere Ring besteht bevorzugt aus Keramik. Eine vorbestimmte Einkerbung ist in der zweiten Filmbeschichtung ausgebildet, welche sich zu der ersten Filmbeschichtung hin erstreckt. Die erste Filmbeschichtung ist 5 bis 20 um und die zweite Filmbeschichtung ist 5 bis 10 um dick.To achieve the above object, there is provided a hemispherical fluid bearing comprising a pair of inner rings each having a spherical outer lubricating surface which are fixed to a shaft so as to face each other, and an outer ring having a lubricating surface corresponding to the lubricating surfaces of the inner rings to assist rotation of the inner rings, wherein at least one of the inner ring and the outer ring has a first film coating of titanium or ceramic on the lubricating surface thereof, a second film coating of diamond-like carbon formed on the first film coating. The outer ring is preferably made of ceramic. A predetermined notch is formed in the second film coating which extends toward the first film coating. The first film coating is 5 to 20 µm and the second film coating is 5 to 10 µm thick.
Die vorstehende Aufgabe und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung von deren bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher, in welchen:The above object and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail the preferred embodiment thereof with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen halbkugelförmigen Fluidlagers ist;Fig. 1 is a sectional view of a conventional hemispherical fluid bearing;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines halbkugelförmigen Fluidlagers gemäß der vorliegenden Erfindung ist; undFig. 2 is a sectional view of a hemispherical fluid bearing according to the present invention; and
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A von Fig. 2 ist.Fig. 3 is a sectional view taken along line A-A of Fig. 2.
Gemäß Fig. 2 und 3 besteht ein halbkugelförmiges Fluidlager gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem oberen inneren Ring 20 und einem unteren inneren Ring 30, welche jeweils eine halbkkugelförmige Oberfläche aufweisen, welche an einer Motorwelle 10 so befestigt sind, daß sie Seite an Seite einander gegenüberliegen, einem äußeren Ring 50, der in einem Lagergehäuse 40 befestigt ist, um den oberen inneren Ring 20 und dem unteren inneren Ring 30 so zu unterstützen, daß sie rotieren können, einem Ring 60, um den oberen inneren Ring 20 und den unteren inneren Ring 30 vor einer Ablösung von der Welle 10 zu bewahren, und einem Abstandshalter 70, der zwischen dem oberen inneren Ring 20 und dem unteren inneren Ring 30 angeordnet ist, um einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Ring 50 und einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Ring 50 und dem oberen inneren Ring 20 und zwischen dem äußeren Ring 50 und dem unteren inneren Ring 30 aufrechtzuerhalten. Hier kann der Ring mittels eines Preßsitzes oder einer Schraubenverbindung mit der Welle 60 verbunden sein.2 and 3, a hemispherical fluid bearing according to the present invention consists of an upper inner ring 20 and a lower inner ring 30, each having a hemispherical surface, which are fixed to a motor shaft 10 so as to face each other side by side, an outer ring 50 fixed in a bearing housing 40 to support the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 so as to rotate, a ring 60 to prevent the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 from coming off the shaft 10, and a spacer 70 disposed between the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 to maintain a gap between the outer ring 50 and the upper inner ring 20 and between the outer ring 50 and the lower inner ring 30. Here, the ring can be connected to the shaft 60 by means of a press fit or a screw connection.
Der hauptsächlich aus einem Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil oder WCo hergestellte obere innere Ring 20 und unterer innere Ring 30 ist mit einem 5 bis 20 um dicken Titan- (Ti)-Film 21 beschichtet. Ebenso ist die Schmierfläche des äußeren Rings 50 hauptsächlich aus einem Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil oder aus WCo hergestellt, und mit einem 5 bis 20 um dicken Ti-Film 51 beschichtet. Die Ti-Filmbeschichtungen 21 und 51 können durch eine Keramikfilmbeschichtung, wie z.B. eine Al&sub2;O&sub3;-Filmbeschichtung ersetzt werden. Zusätzlich können der obere innere Ring 20, der untere innere Ring 30 und der äußere Ring 50 alle aus Keramik hergestellt sein.The upper inner ring 20 and lower inner ring 30, which are mainly made of a high carbon steel or WCo, are coated with a 5 to 20 µm thick titanium (Ti) film 21. Similarly, the lubricating surface of the outer ring 50 is mainly made of a high carbon steel or WCo, and coated with a 5 to 20 µm thick Ti film 51. The Ti film coatings 21 and 51 may be replaced by a ceramic film coating such as an Al₂O₃ film coating. In addition, the upper inner ring 20, the lower inner ring 30 and the outer ring 50 may all be made of ceramic.
Die Filmbeschichtung dient zur Verringerung der Abnutzung zwischen dem äußeren Ring 50 und dem oberen inneren Ring 20, und zwischen dem äußeren Ring 50 und dem unteren inneren Ring 30, welche durch die Festkörperreibung zwischen diesen bewirkt wird, wenn ein Motor startet oder stoppt, nämlich bei oder unterhalb einer Schwellenwertdrehzahl.The film coating serves to reduce wear between the outer ring 50 and the upper inner ring 20, and between the outer ring 50 and the lower inner ring 30, caused by the solid friction therebetween when an engine starts or stops, namely at or below a threshold speed.
Andererseits wird zur weiteren Verringerung der durch die Festkörperreibung bewirkten Abnutzung ein diamantartiger Kohlenstoff-(DLC)-Film von bis 10 um Dicke auf die Ti- Filmbeschichtung 21 des oberen inneren Rings 20 und des unteren inneren Rings 30 aufgetragen. Da die DLC-Filmbeschichtung 22 einen linearen Ausdehnungskoeffzienten ähnlich dem der Ti-Filmbeschichtung 21 aufweist, gibt es keine Bedenken hinsichtlich einer Abblätterung oder einer Veränderung des Zwischenraums. Ferner ist der erstere beständiger gegen Reibung als der letztere und verringert damit effizienter den Einfluß der Festkörperreibung.On the other hand, in order to further reduce the wear caused by the solid friction, a diamond-like carbon (DLC) film of up to 10 µm in thickness is applied to the Ti film coating 21 of the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30. Since the DLC film coating 22 has a linear expansion coefficient similar to that of the Ti film coating 21, there is no concern about exfoliation or change in the clearance. Furthermore, the former is more resistant to friction than the latter, thus reducing the influence of the solid friction more effectively.
Eine Einkerbung 23 ist in der DLC-Filmbeschichtung 22 ausgebildet. Die Einkerbung 23 kann die Ti-Filmbeschichtung 21 durch die DLC-Filmbeschichtung 22 hindurch abhängig von der Dicke der DLC-Filmbeschichtung 22 erreichen. Die Einkerbung 23 hebt den oberen inneren Ring 20 und den unteren inneren Ring 30 von dem äußeren Ring 50 durch die Erzeugung eines Öldrucks oder Luftdrucks ab, wenn diese rotieren.A notch 23 is formed in the DLC film coating 22. The notch 23 can reach the Ti film coating 21 through the DLC film coating 22 depending on the thickness of the DLC film coating 22. The notch 23 lifts the upper inner ring 20 and the lower inner ring 30 from the outer ring 50 by generating oil pressure or air pressure when they rotate.
Ferner kann die DLC-Filmbeschichtung 22 und die Einkerbung 23 auf dem äußeren Ring 50 vorgesehen sein.Further, the DLC film coating 22 and the notch 23 may be provided on the outer ring 50.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung des vorstehenden halbkugelförmigen Fluidlagers wird nun im Detail beschrieben. Der hauptsächlich aus einem Stahl mit hohem Kohlenstoffanteil oder WCo bestehende obere innere Ring 20 und untere innere Ring 30 werden geläppt, daß sie eine Unkugeligkeit von 0,15 bis 0,25 um aufweisen, und deren Kugelflächen werden mit einem 5 bis 20 um Ti-Film beschichtet. Dann wird ein 5 bis 10 um dicker DLC-Film auf den Ti-Film aufgebracht.An embodiment of a method for manufacturing the above hemispherical fluid bearing will now be described in detail. The upper inner ring 20 and lower inner ring 30 mainly made of a high carbon steel or WCo are lapped to have a non-sphericity of 0.15 to 0.25 µm, and their spherical surfaces are coated with a 5 to 20 µm Ti film. Then, a 5 to 10 µm thick DLC film is coated on the Ti film.
Ein Ti-Ionenstrahl-Projektionsverfahren oder ein Ti-Gasabscheideverfahren kann für die Schichtaufbringung des Ti-Films verwendet werden. Der Ti-Film kann mittels desselben Verfahrens durch einen Keramikfilm ersetzt werden.A Ti ion beam projection method or a Ti vapor deposition method can be used for the layering of the Ti film. The Ti film can be replaced with a ceramic film using the same method.
Die Schmierfläche des äußeren Rings 50 wird mit einem Ti-Film oder einem Keramikfilm mit einer Dicke von 5 bis 20 um beschichtet.The lubricating surface of the outer ring 50 is coated with a Ti film or a ceramic film with a thickness of 5 to 20 µm.
Danach wird die Einkerbung 23 in der DLC-Filmbeschichtung 22 durch ein chemisches Korrosionsverfahren oder ein Bearbeitungsverfahren mit elektrischer Entladung ausgebildet.Thereafter, the notch 23 is formed in the DLC film coating 22 by a chemical corrosion process or an electric discharge machining process.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann das halbkugelförmige Fluidlager gemäß der vorliegenden Erfindung effizient die durch Festkörperreibung zwischen einem inneren Ring und einem äußeren Ring bewirkte Abnutzung verhindern. Deshalb beträgt dessen Betriebslebensdauer etwa 500.000 Start/Stop-Vorgänge während das herkömmliche Lager eine Betriebslebensdauer 100.000 bis 200.000 Start/Stop-Vorgängen aufweist.As described above, the hemispherical fluid bearing according to the present invention can effectively prevent wear caused by solid friction between an inner ring and an outer ring. Therefore, its service life is about 500,000 start/stop operations, while the conventional bearing has a service life of 100,000 to 200,000 start/stop operations.
Die Aufmerksamkeit des Lesers sei auf alle Artikel und Dokumente gerichtet, welche gleichzeitig oder vor dieser Beschreibung im Zusammenhang mit dieser Anwendung eingereicht wurden, und mit dieser Beschreibung für eine öffentliche Einsichtnahme zugänglich sind, und die Inhalte aller derartigen Artikel und Dokumente sind hierin duch Bezugnahme beinhaltet.The reader's attention is directed to all articles and documents filed concurrently with or prior to this Description in connection with this Application and available for public inspection with this Description, and the contents of all such articles and documents are incorporated herein by reference.
Alle in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale (einschließlich aller beigefügten Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen), und/oder alle Schritte irgend eines Verfahrens oder eines so veröffentlichen Prozesses können in jeder Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, in welchen wenigstens einige von derartigen Merkmalen und/oder Schritten sich wechselseitig ausschließen.All features disclosed in this specification (including all appended claims, abstract and drawings), and/or all steps of any method or process so disclosed may be combined in any combination, except for combinations in which at least some of such features and/or steps are mutually exclusive.
Jedes in dieser Beschreibung offenbarte Merkmal (einschließlich aller beigefügten Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen) kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, welche demselben, äquivalenten oder ähnlichen Zweck dienen, sofern nicht anderweitig ausdrücklich festgestellt. Somit ist, sofern nicht anderweitig ausdrücklich festgestellt, jedes offenbarte Merkmal nur ein Beispiel nur einer generischen Reihenfolge äquivalenter oder ähnlicher Merkmale.Any feature disclosed in this specification (including all appended claims, the abstract and the drawings) may be replaced by alternative features which serve the same, equivalent or similar purpose, unless otherwise expressly stated. Thus, unless otherwise expressly stated, found that each disclosed feature is only an example of a generic sequence of equivalent or similar features.
Die Erfindung ist nicht auf die Details der vorstehenden Ausführungsform(en) beschränkt. Die Erfindung erstreckt sich auf jede neue, oder jede neue Kombination der in dieser Beschreibung offenbarten Merkmale (einschließlich aller beigefügten Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen), oder auf einen neuen, oder eine neue Kombination der Schritte jedes so offenbarten Verfahrens oder Prozesses.The invention is not limited to the details of the above embodiment(s). The invention extends to any new, or any new combination of the features disclosed in this description (including all appended claims, the abstract and the drawings), or to any new, or any new combination of the steps of any method or process so disclosed.
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