JP2001020947A - 情報記録機器超精密軸受装置 - Google Patents

情報記録機器超精密軸受装置

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JP2001020947A
JP2001020947A JP22880899A JP22880899A JP2001020947A JP 2001020947 A JP2001020947 A JP 2001020947A JP 22880899 A JP22880899 A JP 22880899A JP 22880899 A JP22880899 A JP 22880899A JP 2001020947 A JP2001020947 A JP 2001020947A
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bearing
shaft
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fluid
rotor
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晃 ▲徳▼島
Akira Tokushima
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体または空気等の流体を介して軸と軸受が
非接触となる動圧流体軸受の、起動時摩耗の軽減と、回
転時の総合効率が高効率な流体軸受を得る。 【解決手段】 動圧形流体軸受に超音波振動子を装着
し、発生する超音波の電気化学的作用の内の、粒子加速
度によって生じる摩擦モーメントの粘性抵抗減少によ
り、高効率の流体軸受を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は超精密な精密機器お
よび精密加工機、あるいは記録密度が高密度な情報記録
機器の精密機構に用いる超精密軸受に関し、より詳しく
はモータ等の回転運動による軸または軸受の回転運動そ
のものの作用を利用して、軸と軸受の間に流体膜を自動
的に作り出す動圧形流体軸受に使用される、超音波の粒
子加速作用等を用いた摩擦減少形の高効率流体軸受に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、コンピュータまたは、家庭用電子
機器等の記録媒体として、フロッピーディスクや、ハー
ドディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスクおよび光
ディスク等が多用されており、これら情報記録機器の記
録密度は年々高密度化している。この情報記録のトラッ
ク幅は、家庭用のビデオテープレコーダー(VTR)で
10μm、コンピュータの記録装置である固定ディスク
装置(HDD)で12μm、光−磁気ディスク装置(M
OD)、およびコンパクトディスク装置(MDD)等で
は、トラック幅1.6μmが実用されている。従ってこ
れらの装置に使用される回転装置(モータ)には、超精
密の精度を持つ軸受が必要とされる。
【0003】超精密軸受には、大別すると軸と軸受が接
触する複数個のベアリングを用いた転がり軸受と、液体
または空気等の流体を介して軸と軸受が非接触となる流
体軸受の2種類がある。
【0004】また作動流体の種類には、油および空気が
使用されており、モバイルコンピュータ等の携帯用機器
には、圧縮機等の補機を必要としない作動流体に油を用
いた動圧形の流体軸受が使用されている。前記流体軸受
は、作動流体による運動の平均効果のために、流体軸受
の回転精度は軸、および軸受の形状精度より一桁程度高
くなる効果があるので、流体軸受の回転精度は、もっと
も高い精度が要求されるアメリカ軸受製造者協会(AF
BMA)規格の1.2μmに対して、実用回転速度にお
ける動的回転精度の値が、サブミクロンの0.2μmを
クリアする精度を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】モバイルコンピュータ
等の携帯用機器は、電池を動力源にすることが多いの
で、比較的大きいとされる軸受部による動力損失、すな
わち摩擦モーメントを小さくする必要がある。加えて前
記摩擦モーメントの粘性抵抗は低温で最大となるが、−
20℃から+50℃程度の温度範囲にわたって、軸受摩
擦モーメントの値は小さく、できるだけ変化しないこと
が要求される。かつ回転体の回転むら、変動を小さく抑
える必要もある。前記の軸受部の摩擦モーメントの粘性
抵抗には、軸と軸受の加工精度および潤滑が大きく関与
している。
【0006】前記軸受部の摩擦は、接触する2つの物体
が外力の作用のもとで運動をするとき、接触面にその運
動を妨げる向きの力が生じる現象として現れ、この場合
の摩擦をすべり摩擦という。すべり摩擦の摩擦係数は物
質により異なるが、ほぼ0.3〜0.6の摩擦係数を示
し、ベアリングを用いた超精密軸受の転がり摩擦の摩擦
係数は、前記の値より2桁から3桁小さく、0.001
〜0.0001の摩擦係数を示す。
【0007】また、油などの潤滑剤を使った流体軸受の
摩擦係数(トラクション係数)は、転がり−すべり接触
の摩擦係数となるが、0.03〜0.07程度の摩擦係
数(トラクション係数)を示し、前記の転がり摩擦係数
と比較して1桁ないし2桁程度の大きい値を示す。
【0008】このため従来から用いられる現行の、作動
流体に油を用いた動圧形流体軸受の総合効率は、35%
前後であるのに対して、軸と軸受が接触式の、複数個の
ベアリングを用いた転がり軸受の総合効率は、55%程
度と高効率であった。
【0009】また非接触タイプの流体軸受は、共にモー
タ等の回転体が静止しているときには、軸と軸受が接触
するので、起動停止の多い使い方の場合はその摩耗対策
も必要とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によって成る動圧形流体軸受に使用される、
超音波の粒子加速作用等を用いた摩擦減少形の高効率流
体軸受は、超音波による種々の電気化学的作用の内の、
粒子加速度によって生ずる現象としての摩擦モーメント
の粘性抵抗の減少を用いたものである。超音波による粒
子加速度の大きさに比例して物体(ロータ)を回転させ
る回転粘性抵抗が減少する。超音波振動のない場合の回
転粘性抵抗を約150とすると、超音波振動を作用させ
たときの回転粘性抵抗はほぼ1を示し、2桁程度の軽減
が可能である。
【0011】換言すれば、モータ等回転運動による軸ま
たは軸受の回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸
受の間に流体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受にお
いて、前記流体軸受に超音波振動を作用させ、粘性抵抗
を軽減させたことを特徴とする。
【0012】また超精密軸受装置は、モータ等回転運動
による軸または軸受の回転運動そのものの作用を利用し
て、軸と軸受の間に流体膜を自動的に作り出す動圧形流
体軸受において、前記流体軸受に進行する超音波を作用
させ、粘性抵抗を軽減させた事を特徴とする。
【0013】さらに超精密軸受装置は、モータ等回転運
動による軸または軸受の回転運動そのものの作用を利用
して、軸と軸受の間に流体膜を自動的に作り出す動圧形
流体軸受において、前記流体軸受に超音波厚み振動を作
用させ、粘性抵抗を軽減させたことを特徴とする。
【0014】次にまた超精密軸受装置は、モータ等回転
運動による軸または軸受の回転運動そのものの作用を利
用して、軸と軸受の間に流体膜を自動的に作り出す動圧
形流体軸受において、前記流体軸受の前記軸に超音波振
動子を締結して成ることを特徴とする。
【0015】さらにまた超精密軸受装置は、モータ等回
転運動による軸または軸受の回転運動そのものの作用を
利用して、軸と軸受の間に流体膜を自動的に作り出す動
圧形流体軸受において、起動回転直前に、前記流体軸受
に超音波振動を作用させ、起動回転時の回転運動を介助
したことを特徴とする。
【0016】前記作用および構成等を用いることによ
り、これまで不可能とされていた流体軸受の比較的大き
いとされる軸受部による動力損失、すなわち摩擦モーメ
ントの粘性抵抗を、超音波を作用させて2桁程度軽減さ
せたことにより、はじめてベアリングを用いた接触形の
転がり軸受方式と比較して、非接触方式で同等以上の摩
擦減少形の、高効率流体軸受を初めて可能にしたもので
ある。
【0017】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を、実施例に基
づき図面を参照して説明する。図1に示すように、本発
明によって成る動圧流体軸受のシリンダ1に、嵌合固定
された固定軸2の周面には深さ数μm程度のV字状の溝
(ヘリングボーン溝)3が刻まれている。また前記固定
軸2の上部に位置するスパイラルグループスラスト軸受
4の下面にも、同様に深さ数μm程度のV字状の溝が円
周方向に一定の間隔で刻まれている。ロータ5と前記固
定軸2との間には鉱物油などから成る潤滑剤が封入され
ており、かつ前記ロータ5の下部にはヨーク6を介して
ロータリーマグネット7が固着されていて、シリンダー
1に固着されたステータコイル8との間に働く電磁力に
より、固定軸2を中心にして、ロータ5およびロータ5
に嵌合固定されたスパイラルグループスラスト軸受4と
ヨーク6およびロータリマグネット7等が共に回転す
る。
【0018】回転によりヘリングボーングループラジア
ル軸受3およびスパイラルグループスラスト軸受4の深
さ数μmの溝に生じる動圧効果(ポンプ作用)により、
発生する圧力で潤滑流体がミクロな流体膜を生成し、回
転体のロータ5と固定軸2は接触することなく非接触の
状態で回転を永続させる。
【0019】超音波振動子9は、固定軸2の下部の内部
にエポキシ系の接着剤等を用いて固着されている。前記
超音波振動子9は、通常円板の上下面に銀電極が施され
た構成から成り、接着面側にアース電位を、他の面に高
周波のプラス電位を印加することにより超音波を励振す
る。
【0020】固定軸2は、超音波振動子9を振動源とし
て、形状で定まる共振周波数で励振され、前記固定軸2
の鉛直上方および軸周面等の境界面で振動数の2倍の周
波数の表面波が作用する。また境界層となる回転により
生じたミクロな流体膜で超音波集束して、前記超音波に
より生じる粒子加速度の大きさに比例して、物体(ロー
タ)を回転させる回転(粘性)抵抗が減少した。
【0021】超音波振動のない場合の回転(粘性)抵抗
を150とすると、超音波振動を作用させたときの回転
(粘性)抵抗は約1を示し、超音波振動により2桁程度
の粘性抵抗の軽減が初めて可能となった。
【0022】また固定軸2の下部の内部にエポキシ系の
接着剤で固着された超音波振動子9を、流体軸受の形状
で定まる共振周波数で励振するのではなく、前記超音波
振動子9の厚み振動モードにより励振すると、500K
Hzから2MHzの間の高周波数による励振が可能とな
った。またこのことによりハイパワー励振も可能となっ
た。
【0023】図2に、図1で述べた超音波振動子の別の
構成から成る超音波振動子を示した。円板の上下面に設
けた電極をそれぞれ6分割することにより、円周方向に
3λの波が生じる構成から成る振動子を、位置的に90
度ずらせて2枚張り合わせた超音波振動子10に、電気
的に90度異なる電気信号を印加することにより、進行
する振動波(超音波)を固定軸2に励振する。このこと
により前記固定軸2の鉛直上方および軸周面等の境界面
に進行する振動波(超音波)を励振することで、回転に
より生じた境界層となるミクロな流体膜で超音波集束し
て、前記超音波により生じる粒子加速度の大きさに比例
して、物体(ロータ)を回転させる回転(粘性)抵抗が
減少した。
【0024】次に、動圧形の流体軸受はモータ等の回転
体が制止しているときには、軸と軸受が接触しており、
モータの回転と共に軸に刻まれた深さ数μmの溝に生じ
る動圧効果(ポンプ作用)により発生する圧力で、潤滑
流体がミクロな流体膜を形成し、回転体のロータ5と固
定軸2が非接触状態を保つ。
【0025】従って、起動までの過程の比較的大きい動
力損失、すなわち摩擦モーメントの粘性抵抗を小さく抑
えるために、動圧流体軸受の起動回転直前に、前記流体
軸受に超音波振動子9により超音波振動を作用させる
と、固定軸2の鉛直上方および軸周面等の境界面に超音
波振動が伝搬して、接触状態がすべり摩擦の状態から転
がり−すべり接触状態へと移行することにより、軸と軸
受の摩耗が軽減され、かつ軸受部による動力損失、すな
わち摩擦モーメントの粘性抵抗を小さくすることが可能
となった。
【0026】
【発明の効果】情報記録媒体の記録密度は年々高密度化
しており、光−磁気ディスク装置(MOD)およびコン
パクトディスク装置(MDD)等ではトラック幅1.6
μmが実用されている。これまで前記ディスクを回転駆
動するモータには、ボールベアリングが軸受に使用され
てきたが、ボールの真円度および内・外輪の振れ精度等
をさらに低減するために、動圧流体軸受が用いられてい
る。
【0027】本発明では、これまで不可能とされていた
流体軸受の比較的大きいとされる軸受部による動力損
失、すなわち摩擦モーメントの粘性抵抗を、超音波を作
用させて2桁程度軽減させたことにより、はじめてベア
リングを用いた接触形の転がり軸受方式と比較して、非
接触方式で同等以上の摩擦減少形の、高効率流体軸受を
始めて可能にしたものである。
【0028】さらに非接触タイプの流体軸受は、モータ
等の回転体が静止しているときには、軸と軸受が接触す
るので、起動停止の多い使い方の場合はその摩耗対策を
必要とされたが、本発明では起動までの過程の比較的大
きい動力損失、すなわち摩擦モーメントの粘性抵抗を小
さく抑えるために、動圧流体軸受の起動回転直前に、前
記流体軸受に超音波振動子により超音波振動を作用させ
ると、固定軸とロータの境界面に超音波振動が伝搬し
て、接触状態がすべり摩擦から転がり−すべり接触へと
移行することで、軸と軸受の摩耗が軽減され、かつ動力
損失、すなわち摩擦モーメントの粘性抵抗を小さくする
ことが初めて可能となったなど、実用レベルにおける多
くの効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によって成る超音波の粒子加速作用等を
用いた摩擦減少形の高効率動圧流体軸受の断面図であ
る。
【符号の簡単な説明】
1 シリンダー 2 固定軸 3 ヘリングボーングループラジアル軸受 4 スパイラルグループスラスト軸受 5 ロータ 6 ヨーク 7 ロータマグネット 8 ステータコイル 9、10 超音波振動子
【手続補正書】
【提出日】平成11年9月17日(1999.9.1
7)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によって成る超音波の粒子
加速作用等を用いた摩擦減少形の高効率動圧流体軸受の
断面図である。
【図2】 本発明によって成る超音波振動子
の他の1実施例を示した斜視図である。
【符号の簡単な説明】 1 シリンダー 2 固定軸 3 ヘリングボーングループラジアル軸受 4 スパイラルグループスラスト軸受 5 ロータ 6 ヨーク 7 ロータマグネット 8 ステータコイル 9、10 超音波振動子

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モータ等回転運動による軸または軸受の
    回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸受の間に流
    体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受において、前記
    流体軸受に超音波振動を作用させ、粘性抵抗を軽減させ
    たことを特徴とする超精密軸受装置。
  2. 【請求項2】 モータ等回転運動による軸または軸受の
    回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸受の間に流
    体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受において、前記
    流体軸受に進行する超音波を作用させ、粘性抵抗を軽減
    させた事を特徴とする超精密軸受装置。
  3. 【請求項3】 モータ等回転運動による軸または軸受の
    回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸受の間に流
    体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受において、前記
    流体軸受に超音波厚み振動を作用させ、粘性抵抗を軽減
    させたことを特徴とする超精密軸受装置。
  4. 【請求項4】 モータ等回転運動による軸または軸受の
    回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸受の間に流
    体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受において、前記
    流体軸受の前記軸に超音波振動子を締結して成ることを
    特徴とする超精密軸受装置。
  5. 【請求項5】 モータ等回転運動による軸または軸受の
    回転運動そのものの作用を利用して、軸と軸受の間に流
    体膜を自動的に作り出す動圧形流体軸受において、前記
    流体軸受の起動回転直前に、前記流体軸受に超音波振動
    を作用させ、起動回転時の回転運動を介助したことを特
    徴とする超精密軸受装置。
JP22880899A 1999-07-07 1999-07-07 情報記録機器超精密軸受装置 Pending JP2001020947A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006123548A1 (ja) * 2005-05-19 2006-11-23 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. ヘッド制御装置およびこれを用いたディスク装置
CN108927327A (zh) * 2018-05-25 2018-12-04 广东仁开科技有限公司 一种超声波分料结构
JP2019080438A (ja) * 2017-10-25 2019-05-23 株式会社豊田中央研究所 二軸出力誘導機

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