JP2001124066A - 流体動圧軸受及びこれを用いた電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸受面の摩耗及び発生可能の動圧のいず
れか一方を低下させることなく、他方を大きくするする
こと 【解決手段】 流体動圧軸受は、複数の動圧発生溝と、
隣り合う動圧発生溝の間の丘とを、互いに対向する一対
の軸受面の少なくとも一方に有する。丘の頂面は、動圧
発生溝の長手方向へ伸びる１以上の第１の突部と、該突
部が形成されていない残部領域とにより複数段構造とさ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体又は液体を用
いる流体動圧軸受及びこれを用いた電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気、潤滑油等を用いる流体動圧軸受
は、所定の形状を有する複数の動圧発生溝を潤滑媒体と
して作用する流体を介して互いに対向する一対の軸受面
の少なくとも一方に形成しており、また回転子（軸又は
軸受）が固定子（軸受又は軸）に対し回転したときに、
回転子を固定子から浮遊させる動圧を発生する。

【０００３】動圧発生溝が形成された軸受面のうち、隣
り合う動圧発生溝の間は丘部分として作用する。流体動
圧軸受の動圧発生溝としては、その断面形状が矩形又は
台形のものが用いられている。したがって、隣り合う動
圧発生溝の間の丘も矩形又は台形を有する。

【０００４】

【解決しようとする課題】しかし、動圧発生溝及び丘の
軸方向の断面形状が矩形又は台形であると、回転子の回
転開始時又は停止開始時に丘がこれと対向する軸受面に
接触して、大きな摩擦トルクが丘及びこれと対向する軸
受面に作用し、それによりこの軸受を用いた電動機の消
費電力が増大する、という課題を有していた。軸受け面
の摩耗を防止すべく、丘の幅を狭くして、対抗する軸受
面との接触面積を小さくすると、大きな動圧を得ること
ができない。

【０００５】それゆえに、流体動圧軸受においては、軸
受面の摩擦トルクを低下させ、かつ、発生可能の動圧を
大きくするすることが重要である。

【０００６】

【解決手段、作用及び効果】本発明に係る流体動圧軸受
は、複数の動圧発生溝と、隣り合う動圧発生溝の間の丘
とを、互いに対向する一対の軸受面の少なくとも一方に
有する。前記丘は、前記動圧発生溝の長手方向へ伸びる
１以上の第１の突部と、該突部が形成されていない残部
領域とを有する。

【０００７】回転子が固定子に対して回転されると、軸
受の流体は、動圧発生溝内を移動するのみならず、丘及
びこれと対向する軸受面間を通って丘を横切る方向へ移
動する。しかし、第１の突部は、流体が丘を横切る方向
へ円滑に移動することを妨げる。これにより、第１の突
部を丘に有する流体動圧軸受は、そのような突部を丘に
有していない流体動圧軸受に比べ、大きな動圧を発生す
ることが可能である。

【０００８】回転子の回転開始時及び停止開始時、第１
の突部がこれと対向する軸受面に接触して、摩擦トルク
が突部及びこれと対向する軸受面に作用する。しかし、
第１の突部の幅寸法が丘のそれより小さいから、突部及
びこれと対向する軸受面に作用する摩擦トルクは、その
ような突部を丘に有していない流体動圧軸受に比べ、著
しく小さい。その結果、第１の突部と、これと対向する
軸受面との間のクリアランスを小さくすることにより、
第１の突部及びこれと対向する軸受面に作用する摩擦ト
ルクが大きくならないにもかかわらず、より大きな動圧
を発生可能の構造とすることができる。

【０００９】それゆえに、本発明の流体動圧軸受によれ
ば、動圧発生溝の長手方向へ伸びる１以上の第１の突部
を丘に有するから、軸受面の摩擦トルクを低下させるこ
とができると共に、発生可能の動圧を大きくすることが
できる。

【００１０】前記丘は動圧が小さい側の端部を前記丘の
幅方向へ伸びて前記第１の突部に続く第２の突部を有す
ることができる。このようにすれば、第２の突部が丘及
びこれと対向する軸受面間を丘の動圧の小さい側へ移動
しようとする流体の妨げになるから、より大きな動圧を
発生可能になる。

【００１１】前記丘は、その幅方向に間隔をおいて前記
動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の前記第１の突部を
有することができる。このようにすれば、各第１の突部
が丘をその幅方向へ横切って移動しようとする流体をよ
り確実に妨げるから、より大きな動圧を発生可能にな
る。

【００１２】前記軸受面は動圧が最大となる環状領域で
あって前記残部領域の一端が続く環状領域を有し、前記
動圧発生溝からの前記残部領域の高さ寸法であって前記
残部領域の一端が続く前記環状領域の側の部位の高さ寸
法は前記動圧発生溝からの前記環状領域の高さ寸法とほ
ぼ同じであってもよい。このようにすれば、従来の動圧
発生溝を用いた場合に比べ、丘の残部領域においてより
大きな動圧が発生する。

【００１３】上記の場合、前記動圧発生溝はへリングボ
ーン溝及びスパイラル溝のいずれであってもよい。

【００１４】好ましい一実施例においては、前記丘は、
その幅方向に間隔をおいて前記動圧発生溝の長手方向へ
伸びる複数の第１の突部と、動圧が小さい側の端部を前
記丘の幅方向へ伸びて前記第１の突部に続く第２の突部
と、前記第１及び第２の突部を除く前記丘の残部領域と
により、複数段の構造とされている。

【００１５】前記第１及び第２の突部により囲まれた空
間は動圧が最大となる側に開放されていてもよい。この
ようにすれば、従来の流体動圧軸受に比べ、その空間が
開放する領域において大きな動圧が発生する。

【００１６】本発明に係る電動機は、回転子及び固定子
の一方に配置された永久磁石と、前記回転子及び前記固
定子の他方に配置された電機子と、前記回転子及び前記
固定子の間に配置された流体動圧軸受であって請求項１
から７のいずれか１項に記載の流体動圧軸受とを含む。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１を参照するに、電動機１０
は、短い円筒状又はリング状の永久磁石１２と、この永
久磁石１２の内側に配置された電機子１４とを用いたス
ピンドルモータである。永久磁石１２は、回転子１８に
配置されており、また回転軸線２０の周りに回転され
る。電機子１４は、固定子１６に配置されている。

【００１８】永久磁石１２は、回転子１８の回転半径方
向に磁化された複数の磁極部（図示せず）を回転軸線２
０の周りに有する。回転子１８の回転方向に隣り合う磁
極部は、逆方向に磁化されている。各磁極部の内面は、
永久磁石１２の極面として作用する。

【００１９】電機子１４は、珪素鋼板のような薄い金属
板からなる複数のコア部材を積層したコア２２と、コア
２２の各磁極部に巻かれた励磁コイル２４とを有する。
固定子１６は、皿状の形をしており、また取付ベースと
して作用する。

【００２０】固定子１６は、中央にボス部２６をまた外
周部にフランジ部２８をそれぞれ有しており、フランジ
部２８において筐体のような適宜な部材にねじ止めされ
る。ボス部２６は、上方に開放する空間を有する。電機
子１４は、ボス部２６の外周に相対的回転不能に組み付
けられている。

【００２１】回転子１８も、皿状の形をしている。回転
子１８は、ボス部２６に受け入れられたシャフト３０を
中央部に有しており、また上向きの段部３２を外周部に
有している。永久磁石１２は、回転子１８の内側に相対
的回転不能に装着されている。シャフト３０は、図示の
例では回転軸として作用する。

【００２２】シャフト３０には、リング３４が相対的回
転不能に取り付けられている。リング３４は、ほぼ矩形
の断面形状を有しており、またボス部２６とボス部２６
の上部に配置されたリング状の補助部材３６とにより形
成された環状の凹所３８に受け入れられている。補助部
材３６は、ボス部２６に相対的回転不能に組み付けられ
ている。

【００２３】回転軸線２０の方向における凹所３８の両
内面（上下面）とリング３４の対応する両面（上下面）
との間はスラスト動圧軸受領域４０，４２とされてお
り、凹所３８の奥底面（内周面）とリング３４の外周面
との間はラジアル動圧軸受領域４４とされている。この
ため、電動機１０は、２組のスラスト軸受面と１組のラ
ジアル軸受面とを有する。それらの動圧軸受領域４０，
４２，４４には、空気や潤滑油のような動圧発生用の流
体が充填されている。

【００２４】図２から図４に示すように、各組の一方の
スラスト軸受面には、複数のスラスト動圧発生溝４６が
形成されている。回転子側に形成されている場合のこの
スラスト軸受面の回転方向を図２に矢印Ａで示す。

【００２５】動圧発生溝４６は、へリングボーン溝であ
り、スラスト動圧軸受面の外側領域と内側領域とに形成
されている。周方向に隣り合う動圧発生溝４６の間の領
域は、それらの動圧発生溝４６を形成するランドすなわ
ち丘４８であり、動圧発生溝４６の長手方向へ伸びてい
る。

【００２６】丘４８も、半径方向における中間の環状領
域５０を間に外側領域と内側領域とに形成されている。
外側及び内側の動圧発生溝４６は、それぞれ、スラスト
軸受面の外周領域及び内周領域と環状領域５０とに連通
されている。

【００２７】各丘４８は、その幅方向に間隔をおいて動
圧発生溝４６の長手方向へ伸びる複数の第１の突部５２
と、動圧が小さい側の端部を丘４８の幅方向へ伸びて第
１の突部５２に続く第２の突部５４と、第１及び第２の
突部５２，５４を除く丘の残部領域５６とにより、２段
の構造とされている。外側領域の各丘４８は第２の突部
５４を外周側に有しており、内側領域の各丘４８は第２
の突部５４を内周側に有している。

【００２８】図３に、動圧発生溝４６からの第１及び第
２の突部５２，５４の高さ寸法（＝動圧発生溝４６の深
さ寸法）をＨ1で示し、残部領域５６からの突部５２，
５４の高さ寸法をＨ2で示し、対向する軸受面からの突
部５２，５４の高さ寸法（すなわち、クリアランス）を
Ｈ3で示し、溝のピッチをＷ0で示し、溝、丘、残部領域
及び突部の幅寸法をそれぞれＷ１，Ｗ2，Ｗ3及びＷ４で
示す。

【００２９】図５に示すように、一方のラジアル軸受面
には、複数のラジアル動圧発生溝５８と、複数の丘６０
とが周方向に交互に形成されている。回転子側に形成さ
れている場合のこのラジアル軸受面の回転方向を図５に
矢印Ａで示す。

【００３０】動圧発生溝５８も、動圧発生溝４６と同様
に、へリングボーン溝であり、また上部と下部とに形成
されている。ランドすなわち丘６０も半径方向における
中間の環状領域６２を間に上部と下部とに形成されてい
る。上側及び下側の動圧発生溝４６は、それぞれ、ラジ
アル軸受面の上方領域及び下方領域と環状の領域６２と
に連通されている。

【００３１】丘４８と同様に、各丘６０も、複数の第１
の突部６４と、第２の突部６６と、残部領域６８とによ
り、２段の構造とされている。第１及び第２の突部６４
及び６６並びに残部領域６８は、それぞれ、第１及び第
２の突部５２及び５４並びに残部領域５６と同様の、形
状、構造、寸法及び機能を有する。

【００３２】上側及び下側の第２の突部６６は、それぞ
れ、ラジアル軸受面の上端及び下端に形成されている。
各残部領域６８は、動圧が最大となる側（図示の例で
は、環状領域６２）に開放されている。

【００３３】図４に示す例では、環状領域５０と残部領
域５６とは面一に形成されておおり、また突部５２，５
４と残部領域５６とにより形成される凹所は動圧が最大
となる環状領域５０に開放されている。同様に図５に示
す例では、環状領域６２と残部領域６８とは面一に形成
されており、また突部６４，６６と残部領域６８とによ
り形成される凹所は動圧が最大となる環状領域６２に開
放されている。このため、動圧発生溝４６は環状領域５
０及び残部領域５６より低く、動圧発生溝５８は環状領
域６２及び残部領域６８より低い。

【００３４】使用時、１以上のハードディスク７０が回
転子１８の上向き段部３２に重ねて配置される。所定周
波数を有する三相の駆動電流が電機子１４の励磁コイル
２４に所定の位相で供給されると、電機子１４により形
成される回転磁場と永久磁石１２からの磁場との相互作
用により、回転子１８が回転される。

【００３５】回転子１８が回転されると、動圧発生用の
流体は、動圧発生溝４６，５８内を移動するのみなら
ず、丘４８又は６０及びこれと対向する軸受面間を移動
する。

【００３６】しかし、両第１の突部５２は流体が丘４８
を横切る方向へ円滑に移動することを２重に妨げ、他の
両第１の突部６４は流体が丘６０を横切る方向へ円滑に
移動することを２重に妨げる。また、第２の突部５４及
び６６は、それぞれ、丘４８及び６０と、これと対向す
る軸受面との間を動圧が低い側へ移動しようとする流体
を妨げる。それらの結果、第１の突部５２及び６４並び
に第２の突部５４及び６６を丘４８及び６０にそれぞれ
有する流体動圧軸受は、そのような突部を丘に有してい
ない流体動圧軸受に比べ、大きな動圧を発生可能であ
る。

【００３７】回転子１８の回転開始時及び停止開始時、
第１の突部５２及び６４並びに第２の突部５４及び６６
は、それぞれ、これらと対向する軸受面に接触して、摩
擦トルクが突部５２，５４，６４，６６及びこれらと対
向する軸受面に作用する。

【００３８】しかし、突部５２，５４，６４，６６の幅
寸法が丘４８，６０のそれより小さいから、突部５２，
５４，６４，６６及びこれと対向する軸受面に作用する
摩擦トルクは、そのような突部を丘に有していない流体
動圧軸受に比べ、著しく小さい。その結果、丘４８，６
０及び突部５２，５４，６４，６６と、これらと対向す
る軸受面との間のクリアランスを小さくすることによ
り、突部５２，５４，６４，６６及びこれらと対向する
軸受面に作用する摩擦トルクが大きくならないにもかか
わらず、より大きな動圧を発生可能の構造とすることが
できる。

【００３９】それゆえに、上記のような流体動圧軸受に
よれば、軸受面の摩擦トルクを低下させることができる
と共に、発生可能の動圧を大きくするすることができ
る。例えば、対向する軸受面に接触する箇所の面積を３
分の１から１０分の１程度に低減させると、回転開始時
停止開始時の摩擦トルクは３分の１から１０分の１以下
に低減し、回転開始時及び停止開始時の消費電力は低減
するが、発生する動圧を３から１０％大きくすることが
できる。

【００４０】スラスト動圧発生溝及びラジアル動圧発生
溝は、いずれも、へリングボーン溝以外の形状を有する
溝、例えばスパイラル溝であってもよい。本発明をスラ
スト動圧発生溝としてのスパイラル溝に適用した実施例
を図６に示す。

【００４１】図６を参照するに、スラスト軸受面の外周
部には、複数のラジアル動圧発生溝７２と複数の丘７４
とが中央の環状領域７６の周りに周方向に交互に形成さ
れている。動圧発生溝７２は、スラスト軸受面の外側領
域に連通されている。各丘７４は、複数の第１の突部８
０と、第２の突部８２と、残部領域８４とにより、２段
の構造とされている。

【００４２】環状領域７６と残部領域８４とは、面一に
形成されている。動圧発生溝７２は、動圧が最大となる
側において隣り合う丘７４の第１の突部８２を続く第３
の突部８６により環状領域７８に対して閉鎖されてい
る。

【００４３】第１及び第２の突部８０及び８２並びに残
部領域８４は、それぞれ、第１及び第２の突部５２及び
５４並びに残部領域５６と同様の、形状、構造、寸法及
び機能を有する。第２の突部８２は、それぞれ、動圧が
最小となる外周側に形成されている。各残部領域８４
は、動圧が最大となる側（図示の例では、環状領域７
８）に開放されている。第３の突部８６は、第１及び第
２の突部８０，８２と同様の、形状、構造及び寸法を有
する。

【００４４】動圧が軸受面の外周側において最大になる
スパイラル溝の場合、動圧発生溝が形成されない環状領
域は、動圧発生溝及び丘が形成された領域の周りに形成
される。この場合、動圧発生溝はスラスト軸受面の内側
領域に連通されているが、各丘の第２の突部は内周側に
設けられ、隣り合う丘の第１の突部に続く第３の突部は
外周側に設けられ、各動圧発生溝は第３の突部により外
周側において外周側の環状領域に対し閉じられる。

【００４５】動圧発生溝として、スパイラル溝を用いた
場合も、へリングボーン溝を用いた場合と同様の効果を
奏するほか、各動圧発生溝７２が動圧が最大になる側に
おいて第３の突起８６により閉鎖されているから、各動
圧発生溝７２内における動圧がより高くなる。

【００４６】ステンレス製のスラスト円板の上に、図３
に示すように、溝のピッチＷ0が１８０μｍ、溝の幅寸
法Ｗ1及び丘の幅寸法Ｗ2が９０μｍ、溝幅比Ｗ1／Ｗ0が
０．５、溝の深さ寸法Ｈ1が５μｍ、溝の角度が１８度
のへリングボーン溝をエッチング加工により形成した。
そのようにして得た各丘に、深さ寸法Ｈ2が１ｍｍ、寸
法Ｗ4が２０μｍの溝をエッチング加工により形成し
て、図２から図４に示す第１及び第２の突部を形成する
修正を行った。

【００４７】そのように作成したスラスト動圧発生溝
は、丘を修正しない従来の動圧発生溝に比べ、溝ピッチ
Ｗ0、溝幅比Ｗ1／Ｗ0、溝深さ寸法Ｈ1、及び対向する軸
受面までの高さ寸法Ｈ3が同じであるにもかかわらず、
負荷容量が１２％向上した。

【００４８】丘の修正深さ寸法Ｈ2は０．３μｍ以上で
あることが好ましく、溝の深さ寸法Ｈ1が３〜１０μｍ
である場合、Ｈ2は２μｍ以下とすることが好ましい。

【００４９】図７に丘４８を代表して示すように、各丘
の頂面に一対の第１の突部を設ける代わりに、（Ａ）に
示すように各丘にその幅方向に間隔をおいた３以上の第
１の突部５２を設けてもよいし、（Ｂ）に示すように各
丘に１つの第１の突部５２を設けてもよく、さらには
（Ｃ）に示すように崩れた形状の丘であってもよいし、
（Ｄ）に示すように丘の残部領域に１以上の突起８８が
存在していてもよい。

【００５０】図７に示すいずれの実施例の場合も、第１
の突部は丘の幅方向における適宜な箇所に設けることが
できる。また、各丘の頂面を３段以上の複数段構造にし
てもよい。（Ｂ）に示す実施例の場合、第１の突部は流
体の移動方向下流側（回転子の回転方向後方側）に配置
することが好ましい。

【００５１】へリングボーン溝、スパイラル溝等、いず
れの動発発生溝においても、動圧発生溝と環状領域とを
面一にしてもよく、また丘の残部領域を、動圧発生溝か
らの高さ寸法が動圧の高い側の部位ほど大きく又は小さ
くなる傾斜面としてもよく、さらに第２の突部を設けな
くてもよい。

【００５２】へリングボーン溝において、隣り合う丘の
第１の突部を動圧が最大となる環状領域の側において第
３の突部により接続することにより、各動圧発生溝を動
圧が最大になる側の端部において環状領域から離しても
よい。また、隣り合う丘の第１の突部を動圧が最大とな
る環状領域の側において第３の突部により接続しなくて
もよい。

【００５３】本発明は、上記実施例に限定されず、その
趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電動機の一実施例を示す断面図

【図２】本発明に係る動圧軸受で用いるスラスト動圧発
生溝の一実施例を示す図

【図３】図２における３−３線に沿って得た断面図

【図４】図３における４−４線に沿って得た断面図

【図５】本発明に係る動圧軸受で用いるラジアル動圧発
生溝の一実施例を示す展開図

【図６】本発明に係る動圧軸受で用いるスラスト動圧発
生溝の他の実施例を示す図

【図７】丘の各種の形状の実施例を示す断面図

【符号の説明】

１０ 電動機（スピンドルモータ） １２ 永久磁石 １４ 電機子 １６ 固定子 １８ 回転子 ２０ 回転軸線 ２６ ボス部 ３０ シャフト ３４ リング ３６ 補助部材 ３８ 凹所 ４０，４２ スラスト動圧軸受領域 ４４ ラジアル動圧軸受領域 ４６，５８，７２ 動圧発生溝 ４８，６０，７４ 丘 ５０，６２，７８ 環状領域 ５２，６４，８０ 第１の突部 ５４，６６，８２ 第２の突部 ５６，６８，８４ 残部領域 ８６ 第３の突部

フロントページの続き (72)発明者 太田 敦司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 似鳥 幸司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 3J011 AA06 BA04 CA02 JA02 KA03 LA05 MA02 5H607 BB01 BB14 BB17 BB25 DD01 DD02 DD03 GG01 GG02 GG12 GG14 GG15 JJ05 5H621 GA01 HH01 JK17 JK19

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の動圧発生溝と、隣り合う動圧発生
   溝の間の丘とを、互いに対向する一対の軸受面の少なく
   とも一方に有する流体動圧軸受であって、前記丘は、前
   記動圧発生溝の長手方向へ伸びる１以上の第１の突部
   と、該突部が形成されていない残部領域とを有する、流
   体動圧軸受。
2. 【請求項２】 前記丘はこれの幅方向へ伸びて前記第１
   の突部に続く第２の突部を動圧が小さい側の端部に有す
   る、請求項１に記載の流体動圧軸受。
3. 【請求項３】 前記丘は、その幅方向に間隔をおいて前
   記動圧発生溝の長手方向へ伸びる複数の前記第１の突部
   を有する、請求項１又は２に記載の流体動圧軸受。
4. 【請求項４】 前記軸受面は動圧が最大となる環状領域
   であって前記残部領域の一端が続く環状領域を有し、前
   記動圧発生溝の底からの前記残部領域の高さ寸法であっ
   て前記環状領域の側の部位の高さ寸法は前記動圧発生溝
   からの前記環状領域の高さ寸法とほぼ同じである、請求
   項１，２又は３に記載の流体動圧軸受。
5. 【請求項５】 前記動圧発生溝はへリングボーン溝又は
   スパイラル溝である、請求項４に記載の流体動圧軸受。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２の突部により囲まれた
   空間は動圧が最大となる側に開放されている、請求項１
   から５のいずれか１項に記載の流体動圧軸受。
7. 【請求項７】 回転子及び固定子の一方に配置された永
   久磁石と、前記回転子及び前記固定子の他方に配置され
   た電機子と、前記回転子及び前記固定子の間に配置され
   た流体動圧軸受であって請求項１から７のいずれか１項
   に記載の流体動圧軸受とを含む、電動機。