JP2002174226A - 流体動圧軸受けモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転型の記録装置，冷却用のファン等におい
て，静粛性の要請から流体動圧軸受けモータの採用方向
にあるが，軸を支承するベアリング部間のスパンを小さ
くし難く薄型化には限界を有していた。情報機器分野に
於ける携帯用途の進展と共に薄型化，低電力化等も強く
求めれ，流体動圧軸受けモータにおいてこれらの解決は
大きな課題であった。 【解決手段】本発明による流体動圧軸受けモータは，軸
径が略円錐状に次第に細くなるテーパー面を有する中心
軸と，中心軸に対向する凹部を有するスリーブと，中心
軸とスリーブ間間隙の潤滑流体と，中心軸及びスリーブ
間に磁気吸引力を発生させる磁気的手段と等より構成
し，中心軸或いはスリーブのテーパー面に一組のヘリン
グボーン形状動圧溝を設けて回転時に前記動圧溝の発生
する圧力による中心軸方向分力と前記磁気的手段による
吸引力とを平衡させて回転部を支承する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，流体動圧軸受けモータ
に拘わり，特に薄型化と低電流化に適した簡易な構造の
流体動圧軸受けモータに拘わる。

【０００２】

【従来の技術】回転型の記録装置，冷却用のファン等に
おいて，静粛性の要請から流体動圧軸受けモータの採用
方向にあるが，回転部の姿勢を厳密に維持する観点から
は軸を支承するベアリング部間のスパンを小さくし難く
薄型化には限界を有していた。情報機器分野に於ける携
帯用途の進展と共にそれら機器の薄型化，低電流化等も
強く求められる状況に有り，流体動圧軸受けモータにお
いてこれら諸問題の解決は大きな課題であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的
は，薄型化及び低電流化に適し，更に簡易な構造で低コ
スト化が可能な流体動圧軸受けモータを実現提供するこ
とである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による流体動圧軸
受けモータは，軸径が略円錐状に次第に細くなるテーパ
ー面を有する中心軸と，中心軸に対向する凹部を有する
スリーブと，中心軸とスリーブ間間隙の潤滑流体と，中
心軸及びスリーブがそれぞれ結合する回転部及び固定部
間に磁気吸引力を発生させる磁気的手段と等より構成
し，中心軸或いはスリーブのテーパー面に一組のヘリン
グボーン形状動圧溝を設けて回転時に前記動圧溝の発生
する圧力による軸方向分力と前記磁気的手段による磁気
吸引力とを平衡させて回転部を支承する事を特徴とす
る。

【作用】上記構成の流体動圧軸受けモータに依れば，円
錐状テーパー面に設けられたヘリングボーン形状の動圧
溝により発生せしめられた動圧力の軸方向分力は中心軸
とスリーブ間の磁気吸引力と釣り合って中心軸とスリー
ブとを所定の間隙に維持し，前記動圧力の径方向分力は
中心軸をスリーブ内の径方向中心に維持せしめる。

【０００５】潤滑流体の粘度は温度特性を有して発生せ
しめられる動圧力は温度によって異なるが，磁気吸引力
は一定であるので圧力の軸方向分力はそれと平衡するよ
う中心軸とスリーブ間間隙が変化する。結局，間隙が変
化して潤滑流体の温度依存性を補償する事になるので中
心軸を支承する剛性はほぼ一定とする事で全温度範囲で
十分な剛性を実現して回転を安定に出来る。またその結
果として消費電力の温度依存性も軽減される。

【０００６】更に軸受け部のエネルギー損失は一般に潤
滑流体の接触部面積とその点での圧力勾配に比例する
が，本発明の流体動圧軸受けモータではヘリングボーン
形状の動圧溝は一組のみであり，軸受け部での摺動部面
積は最小にできるのでこの面でも軸受け部での損失を減
少させることが出来る。また動圧溝は一組のみであるの
で薄型化も同時に達成できる。

【０００７】円錐形状テーパー面に動圧溝を形成する構
造はエアベアリング等で従来も試みられたが，回転の軸
振れ，歳差運動が大で回転形の記憶装置には到底適用で
きなかった。これらの例は何れも動圧力と平衡させるた
めの力を十分に与えられなかったか，或いは回転部重量
と動圧力とを平衡させていたのみで十分な剛性を得られ
なかったのが理由である。本発明では中心軸とスリーブ
間に任意の大きさの磁気吸引力を与える構造としたので
全温度範囲で十分に大な力と動圧力とを平衡させること
が出来，剛性を確保できるもので上記問題を解決する事
が出来る。

【０００８】このようにして本発明の流体動圧軸受けモ
ータは，所期の目的を達成することが出来，さらに動圧
溝はテーパー状斜面に形成するので型等による成形に適
しており，低コスト化も同時に実現できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明による流体動圧軸受
けモータについて，その実施例及び原理作用等を図面を
参照しながら説明する。

【００１０】図１は本発明の第一の実施例である流体動
圧軸受けモータ１０の断面構造を示す。同図に於いて，
回転軸１１はその径が先細りとなる円錐形状とし，回転
軸１１に対向して配置されるスリーブ１２は凹部が円錐
形状とする。回転軸１１とスリーブ１２間の間隙には潤
滑流体であるオイルが充填され，円錐形状の外周部１４
近傍では回転軸１１とスリーブ１２との間の間隙は外周
方向に徐々に大として潤滑流体の境界面を有する。回転
部は回転軸１１，ハブ１６，ローターマグネット１７等
とより構成され，固定部はスリーブ１２，ベース１ｂ，
ステータコア１８，コイル１９等とより構成され，回転
軸及びスリーブ間に磁気吸引力を発生せしめるようステ
ーターコア１８とローターマグネット１７とは軸方向に
中心を変位させて配置する。同図に於いてはローターマ
グネット１７がステータコア１８より少し上に変位して
いる。番号１ａはディスクを固定するためのネジ孔を示
す。

【００１１】回転軸１１とスリーブ１２の円錐形状テー
パー面１３には，後に説明するヘリングボーン形状の動
圧溝を周方向に一組有してベアリング部を形成する。こ
の一組の動圧溝の発生する動圧力の径方向分力で回転軸
１１の調芯を行わせ，動圧力の軸方向分力と回転部及び
固定部間の磁気吸引力とを平衡させる。動圧力は間隙に
反比例するので回転軸１１とスリーブ１２間の間隙は圧
力の軸方向分力と回転部及び固定部間の磁気吸引力とを
平衡する位置で安定する。動圧溝の寸法形状，潤滑流体
の粘度，磁気吸引力等は回転時に回転部を支持するに十
分な剛性を発生せしめるよう設定するとし，間隙はおお
よそ数ミクロンメートルの値となる。

【００１２】ステーターコア１８，コイル１９は回転磁
界を発生せしめてローターマグネット１７と協働して回
転部を回転駆動する。また，ローターマグネット１７は
ステータコア１８に比して軸方向のやや上に変位して構
成されるので回転部と固定部間に磁気吸引力を発生させ
る。回転部にはこの他に負荷として磁気ディスク或いは
光ディスク等が搭載され，正立或いは倒立等記憶装置の
設置形態により回転軸１１とスリーブ１２間に加わる力
は異なる。すなわち，正立では磁気吸引力に加えて可動
部の総重量が加わり，倒立では逆に磁気吸引力から可動
部総重量が差し引かれて加わる。それらを考慮すれば，
磁気吸引力としては可動部重量の３倍以上が目安であ
り，また経験的にも妥当な回転安定性を得る目安でもあ
る。 磁気吸引力をさらに大にしてより大きな動圧力と
平衡させれば歳差運動を更に圧縮できて回転安定性を増
すことが出来る事も実験的に得られているが，一方では
起動停止時の摺動摩擦を大にして稼働寿命を減ずる事も
判明している。必要な回転精度によって異なるが，おお
よその目安として流体動圧軸受けモータの回転部重量に
負荷の重量を加えた可動部総重量の５倍程度の磁気吸引
力を発生させるよう設定する。

【００１３】スリーブ１２のテーパー部１３にはヘリン
グボーン形状の動圧溝を設け，その動圧溝の形状は内周
部側１５方向にポンピング力が勝るよう設定し，回転起
動時に内周部側１５に於ける潤滑流体圧力を速やかに大
として回転軸１１を浮上させ，回転軸１１とスリーブ１
２との摺動距離を小として回転軸１１とスリーブ１２の
摩耗を軽減せしめる。

【００１４】図２は図１に示す第一の実施例において，
回転軸１１及びスリーブ１２の詳細構造を示すもので，
図２（ａ）はスリーブ１２の内周面を，図２（ｂ）は回
転軸１１及びスリーブ１２の断面構造をそれぞれ示す。
図２（ａ）に示すようにスリーブ１２のテーパー部１３
にはヘリングボーン形状の動圧溝２１が周方向に一組設
けられている。数ミクロンメートル程度のの凹みであ
り，この動圧溝２１は回転時に内周側及び外周側から潤
滑流体をその中心，つまり動圧溝の屈曲箇所に集めて潤
滑流体の圧力を高め，回転軸１１をスリーブ１２に対し
て離間，支承する。本実施例では内周側へ，すなわち外
周側から内周側へのポンピング能力を内周側から外周側
へのそれよりやや大として内周側へのポンピング力が残
るよう設定し，内周部側１５での潤滑流体の圧力が回転
起動時に速やかに大となるよう設定する。図２（ａ）で
の動圧溝２１では内周部側の溝長が大に表されている
が，ポンピング能力は溝の長さと縮径程度等により決ま
るので上記説明とは矛盾しない。

【００１５】図３は，回転時に発生する潤滑流体内の圧
力分布，回転軸１１，スリーブ１２間に現れる動圧力等
を示して第一の実施例の動作を説明する為の図である。
図３（ａ）は，潤滑流体中の圧力分布３１，３２を示
し，縦軸３３は圧力を，横軸３４は図３（ｂ）に対応し
て径方向の座標を示す。図３（ｂ）は回転軸１１，スリ
ーブ１２の断面構造と回転時に発生する動圧力３５，３
６等を示す。

【００１６】図３（ａ）は，回転時に動圧溝２１によっ
て発生される潤滑流体の圧力分布３１，３２を示し，そ
の圧力の最高点位置は動圧溝２１の屈曲点にほぼ相当す
る。圧力分布３１，３２は大気圧を差し引いてあるので
外周部ではほぼゼロとなっているが，動圧溝２１は内周
側にポンピング力が勝るように設定されているので内周
部１５に相当する位置では大気圧より大と表示されてい
る。

【００１７】図３（ｂ）では，潤滑流体の圧力増大に伴
って生ずる動圧力をその中心に代表させて動圧力３５，
３６として示す。その位置は圧力分布３１，３２の形状
によって若干異なるが，圧力分布３１，３２の最高点に
近い。

【００１８】番号３７，３９は動圧力３５，３６の軸方
向分力を，番号３８，３ａは動圧力３５，３６の径方向
分力をそれぞれ示す。動圧力３５，３６は回転軸１１，
スリーブ１２間の間隙にほぼ反比例するので軸方向分力
３７，３９と回転部，固定部間の磁気吸引力とが平衡す
るよう間隙は定まる。径方向分力３８，３ａは互いに逆
方向でこれらが釣り合うよう回転軸１１は支承される。

【００１９】また，動圧力３５，３６は円錐面に垂直に
働くので円錐面の頂点に対応する位置を３ｂとし，位置
３ｂと動圧力３５，３６の作用する点との距離をＬとす
ると，回転軸にはＬと動圧力の積に相当する回転モーメ
ントが常に働く。動圧力３５，３６に拘わる回転モーメ
ントは常に逆方向であり，それら動圧力３５，３６の大
きさはそれらの近傍に於ける回転軸１１，スリーブ１２
間の間隙にほぼ反比例するので動圧力３５，３６の回転
モーメントが等しくなるよう，すなわち両者の間隙が等
しくなるよう常に復元力が働き，回転軸１１の姿勢は維
持され，歳差運動も圧縮される。

【００２０】潤滑流体として用いるオイルの粘度は一般
に高温になると小になり，動圧力は減少し，回転軸を支
持する剛性は低下する。通常は使用温度範囲の上限で十
分な余裕を持って剛性を確保できるよう設計するが，そ
の結果として低温では過剰剛性，過大電流に悩まされる
ことになる。本発明に依れば，上記説明で示されるよう
に回転軸１１とスリーブ１２間の間隙は動圧力３５，３
６の軸方向分力３７，３９と磁気吸引力とが平衡する位
置に定まるので動圧力は温度に拘わらずほぼ一定に保た
れる。すなわち温度補償が自動的になされ，設計段階で
の剛性設定値は全温度範囲に渡ってほぼ一定の適正値と
することが可能である。したがって低温での過剰剛性，
過大電流等を回避できて低電流化設計が可能となる。

【００２１】さらに流体動圧軸受けでの軸損は，主とし
て番号１３に示すような狭間隙部分での潤滑流体と回転
軸１１，或いはスリーブ１２等の面との摩擦力に起因す
るので本発明のように動圧溝が一組という最小構成で有
ればこの面からも軸損は小さく，従って一層の低消費電
流化が達成できることになる。

【００２２】また，回転軸１１の姿勢保持に関しては距
離Ｌと動圧力３５，３６との積及び対応する磁気吸引力
に依って決まるので従来構造のように軸方向に二組の動
圧溝をを有してそれらの間のスパンを大にする必要は無
く，動圧溝２１は一組のみで済むので従来構造に比して
構造の簡素化と共に薄型化も達成できる。

【００２３】図４は本発明の第二の実施例である流体動
圧軸受けモータ４０の断面構造を示す。第一の実施例と
ほぼ同じ構造であるが，回転部と固定部との間の磁気吸
引力を発生せしめるための構造のみが異なっている。す
なわち，ステーターコア１８とローターマグネット４１
とは軸方向にほぼ同じ位置に配置されて両者の間には軸
方向に磁気吸引力を発生しないが，ローターマグネット
４１の真下に磁性体で構成するバイアスヨーク４２をベ
ース１ｂに固定し，ローターマグネット４１，バイアス
ヨーク４２間に磁気吸引力を発生せしめる。第一の実施
例において，ローターマグネット１７とステーターコア
１８間での相対的な軸方向変位量が大きすぎると振動が
発生しやすくなる欠点があるが，第二の実施例ではそれ
らの欠点を改善できる。

【００２４】

【発明の効果】以上，実施例を用いて説明したように本
発明の流体動圧軸受けモータに依れば，円錐形状テーパ
ー面に一組の動圧溝を有してその動圧力と磁気吸引力と
を平衡させる簡素な構造であって，動圧軸受けモータの
薄型化を実現すると共に回転部の支持剛性の温度補償，
低電流化をも同時に実現して本発明の目的を十分に達成
することが出来る。回転部と固定部間の磁気吸引力と動
圧力とを平衡させるので回転部重量の小さい小型モータ
用途に適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施例である流体動圧軸受け
モータの断面図を示す。

【図２】 （ａ）図はスリーブの平面図を，（ｂ）図は
回転軸とスリーブの断面図をそれぞれ示す。

【図３】 （ａ）図は回転に伴って発生する圧力分布
を，（ｂ）図は回転軸とスリーブの断面と動圧力の作用
点及び方向等を示す。

【図４】 本発明の第二の実施例である流体動圧軸受け
モータの断面図を示す。

【符号の説明】

１０・・・流体動圧軸受けモータ， １１・・
・回転軸，１２・・・スリーブ，
１３・・・円錐形状テーパー面，１４・・・円錐形状
の外周部， １５・・・内周部側，１６・
・・ハブ， １７・・・ロー
ターマグネット，１８・・・ステーターコア，
１９・・・コイル，１ａ・・・ネジ孔，
１ｂ・・・ベース ２１・・・ヘリングボーン形状の動圧溝 ３１，３２・・潤滑流体の圧力分布， ３３・・
・圧力，３４・・・径方向の座標，
３５，３６・・動圧力，３７，３９・・動圧力の軸方向
分力， ３８，３ａ・・動圧力の径方向分力，３
ｂ・・・円錐面の頂点に対応する位置 ４０・・・流体動圧軸受けモータ， ４１・・
・ローターマグネット，４２・・・バイアスヨーク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸径が略円錐状に次第に細くなるテーパ
   ー面を有する中心軸と，中心軸に対向する凹部を持つス
   リーブと，中心軸及びスリーブ間間隙の潤滑流体と，中
   心軸及びスリーブ間に磁気吸引力を発生させる磁気的手
   段と等より構成される流体動圧軸受けモータにおいて，
   中心軸或いはスリーブの円錐状テーパー面に一組のヘリ
   ングボーン形状動圧溝を有し，回転時に前記動圧溝が発
   生する動圧力の軸方向分力と前記磁気吸引力とを平衡さ
   せて回転部を支承する事を特徴とする流体動圧軸受けモ
   ータ
2. 【請求項２】 請求項１記載の流体動圧軸受けモータに
   おいて，中心軸及びスリーブ間の間隙は円錐状外周部に
   おいて徐々に大とし，潤滑流体の大気との境界面はその
   外周部にのみ存在する事を特徴とする流体動圧軸受けモ
   ータ
3. 【請求項３】 請求項２記載の流体動圧軸受けモータに
   おいて，前記ヘリングボーン形状の動圧溝は，回転時に
   潤滑流体を内周側にポンピングするようなアンバランス
   構造として回転起動時に中心軸とスリーブとを速やかに
   離間せしめる事を特徴とする流体動圧軸受けモータ
4. 【請求項４】 請求項１記載の流体動圧軸受けモータに
   おいて，中心軸及びスリーブ間の磁気吸引力は，回転部
   重量に加えて搭載する負荷を加えた回転部総重量の３倍
   以上とすることを特徴とする流体動圧軸受けモータ