JP2002276649A

JP2002276649A - 動圧型軸受ユニット

Info

Publication number: JP2002276649A
Application number: JP2001074308A
Authority: JP
Inventors: Takatsugu Furubayashi; 卓嗣古林
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】製造コストを低廉化すると共に、傾斜軸受隙
間で均一な動圧効果を得る。【解決手段】軸部材１０の外周と軸受部材２０の内周
との間に、軸方向一方側を小径に、他方側を大径にした
傾斜軸受隙間Ｃ１を形成する。軸受部材２０の内周に傾
斜軸受隙間Ｃ１と対向させて複数の動圧溝４２を有する
傾斜軸受面４１を形成し、傾斜軸受隙間Ｃ１で生じた流
体動圧により軸部材１０を非接触支持する。軸受部材２
０は、焼結金属で形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸部材と軸受部材
との間の軸受隙間に生じる潤滑流体の動圧により、軸部
材をラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持する
動圧型軸受ユニットに関するものであり、特に情報機器
用スピンドルモータのスピンドル支持用に好適な軸受ユ
ニットに関する。ここでいう「情報機器用スピンドルモ
ータ」には、例えばＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／
ＲＡＭなどの光ディスク、ＭＯなどの光磁気ディスク、
ハードディスクなどの磁気ディスクを駆動するスピンド
ルモータ、あるいはレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）や
複写機のポリゴンスキャナモータなどが含まれる。この
中でも本発明は、小型情報機器に装備される磁気ディス
クドライブ用スピンドルモータのスピンドル支持用とし
て特に優れた特性を備えるものである。

【０００２】

【従来の技術】磁気ディスクドライブに代表される情報
機器用スピンドルモータのスピンドルを支持する軸受と
しては、従来、転がり軸受が一般的であったが、近年で
はこれを高回転精度・高減衰性・低騒音性等の優れた特
徴を備える動圧型軸受に置き換える事例が増えている。
動圧型軸受を使用したスピンドルモータは、従来、例え
ば図６に示す構造であり、軸部材１００の外周または軸
受部材２００の内周に動圧発生溝（動圧溝）を有するラ
ジアル軸受面（図示せず）を形成すると共に、軸部材１
００のフランジ部１６０両端面あるいはこれに対向する
面に動圧溝を有するスラスト軸受面（図示せず）を形成
することにより構成される。軸部材１００を回転させる
と、ラジアル軸受面を有するラジアル軸受部４００によ
って軸部材がラジアル方向で非接触支持され、スラスト
軸受面を有するスラスト軸受部５００によって軸部材１
００がスラスト方向で非接触支持される。

【０００３】一方、近年の磁気ディスクドライブは、デ
スクトップ型パーソナルコンピュータのみならず、デジ
タルカメラやノート型パーソナルコンピュータ等にもリ
ムーバブルメディアとして使用されている。このような
用途に要求される仕様は、小型・軽量であり、特にコン
パクトフラッシュ（登録商標）のサイズのメモリでは薄
型化が必須である。

【０００４】しかしながら、図６に示す構造では、ラジ
アル荷重とスラスト荷重をそれぞれラジアル軸受部４０
０とスラスト軸受部５００で支持するため、軸受ユニッ
ト全体の軸方向寸法が大きく、スピンドルモータのさら
なる小型化・薄型化には限界がある。

【０００５】このような問題点に鑑み、例えば特開平6-
315242号公報では、軸部材を円錐台状に形成し、その外
周に配した軸受部材との間に傾斜した軸受隙間（傾斜軸
受隙間）を形成すると共に、軸部材の端面とこれに対向
するスラスト板との間にスラスト軸受隙間を形成したも
のが開示されている。この場合、傾斜軸受隙間やスラス
ト軸受隙間とそれぞれ対向する面に動圧溝を有する軸受
面がそれぞれ形成される。この構造であれば、図６に示
す軸部材１００のフランジ部１６０が不要となるので、
その分だけ軸受ユニットの軸方向寸法を小型化すること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、動圧型軸受
の軸受隙間は、一般にμｍオーダーでかつ平行に形成さ
れなければならず、高度の加工精度が要求される。従来
では、軸部材や軸受部材を、ステンレス鋼や銅合金、真
鍮といった金属材料を機械加工することにより形成して
いるが、このような高度の加工精度を確保するため、加
工コストが高騰しているのが実状である。特に上記公報
記載の軸受のように、軸受隙間が傾斜している場合は、
ワークの形状が複雑化するため、この種の問題がより一
層顕在化する。加えて動圧溝もμｍオーダーの深さであ
り、上記金属材料を使用しての溝加工は、機械加工やエ
ッチング等により別工程で行わざるを得ず、さらなる加
工コストの上昇を招く。

【０００７】また、上記公報記載の軸受では、回転部材
が回転すると、遠心ポンプ作用によって傾斜軸受隙間中
の潤滑油が大径側に押し込まれる。そのため、傾斜軸受
隙間の小径側で油不足を生じ、十分な動圧効果が得られ
ないおそれがある。

【０００８】そこで、本発明は、製造コストを低廉化で
き、かつ傾斜軸受隙間で均一な動圧効果を発生させるこ
とのできる動圧型軸受ユニットの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的の達成のため、
本発明では、軸部材と、軸部材の外周に配置した軸受部
材と、軸部材の外周と軸受部材の内周との間に形成さ
れ、軸方向一方側で小径に、他方側で大径に形成された
傾斜軸受隙間とを有し、傾斜軸受隙間で生じた流体動圧
により軸部材を非接触支持する動圧型軸受ユニットにお
いて、軸受部材を焼結金属で形成した。

【００１０】軸受部材を焼結金属で形成することによ
り、軸受部材の成形は焼結金属を押型に入れて圧力を加
える、いわゆる圧縮成形により高精度に成形することが
可能となる。従って、機械加工する場合に比べて軸受部
材を低コストに成形することができ、軸受ユニットの製
造コストが低廉化する。

【００１１】また、焼結金属は多孔質材料であるから、
気孔に油等の潤滑剤を保持できる。気孔に保持された潤
滑剤は軸受の運転に伴う圧力発生や熱膨張によって軸受
部材の表面に滲み出す。そのため、遠心ポンプ作用で傾
斜軸受隙間の大径側に潤滑剤が押し込まれた場合でも小
径側に潤滑剤の不足分を補充することができる。従っ
て、傾斜軸受隙間の全域で安定して油膜を形成すること
ができ、傾斜軸受隙間での動圧効果を高めることが可能
となる。

【００１２】この場合、軸部材の外周、または軸受部材
の内周のうち何れか一方に、傾斜軸受隙間と対向させて
複数の動圧溝を有する傾斜軸受面を形成することによ
り、傾斜軸受隙間で潤滑剤の流体動圧を発生させること
ができる。軸受部材の内周に傾斜軸受面を形成した場
合、一般には動圧溝の加工が困難となるが、上述のよう
に軸受部材を焼結金属製とすることにより、圧縮成形に
際して傾斜軸受面の動圧溝形状に対応した成形型を焼結
金属の内周に配置し、焼結金属を圧迫して成形型を焼結
金属の内周に押し当てることにより、高精度の動圧溝が
低コストに得られる。

【００１３】傾斜軸受面の動圧溝としては、ヘリングボ
ーン型に配列したものや、軸方向の直線状として円周方
向の複数箇所に配列したもの等が使用できる。

【００１４】軸部材の外周、または軸受部材の内周のう
ち何れか一方に、傾斜軸受隙間と対向させて断面非真円
の傾斜軸受面を形成することにより、軸受の運転中に傾
斜軸受隙間に複数のくさび形潤滑膜が形成されるため、
上記動圧溝と同様の動圧効果により軸部材を非接触支持
することができる。

【００１５】この場合、断面非真円の傾斜軸受面は、例
えば調和波形からなる波状面に形成することができる。

【００１６】軸部材の端面とスラスト軸受隙間を介して
対向するスラスト支持面を有する動圧型軸受ユニット
は、スラスト軸受隙間に発生した流体動圧で軸部材に浮
上力を付与し、軸部材をスラスト方向で非接触支持する
ことができる。

【００１７】この場合、軸部材の端面、またはスラスト
支持面のうち何れか一方に複数の動圧溝を有するスラス
ト軸受面が形成される。スラスト軸受面の動圧溝は、例
えばヘリングボーン型やスパイラル型に配列することが
できる。

【００１８】上記各構成の動圧型軸受ユニットで情報機
器用スピンドルモータのスピンドルを支持することによ
り、高回転精度で薄型のスピンドルモータを提供するこ
とができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１〜
図５に基づいて説明する。

【００２０】図１は、情報機器用スピンドルモータの一
例として、ハードディスク（ＨＤＤ）用スピンドルモー
タを例示している。このスピンドルモータは、軸部材１
０を回転自在に支持する軸受ユニット１と、軸部材１０
に取り付けられ、磁気ディスク２を一枚（または複数
枚）保持するディスクハブ３と、ギャップを介して対向
させたステータ４およびモータロータ５とを有する。ス
テータ４は、円筒状のケーシング６外周に取り付けら
れ、ロータ５はディスクハブ３の内周面に取り付けられ
ている。ステータ４に通電すると、ステータ４とロータ
５との間の励磁力でロータ５が回転し、ディスクハブ３
および軸部材１０が回転する。

【００２１】軸受ユニット１を他の情報機器用スピンド
ルモータ、例えば光ディスクドライブあるいは光磁気デ
ィスクのスピンドルモータに使用する場合は、これらの
ディスクを支持固定するターンテーブル（図示省略）が
軸部材１０に固定され、ＬＢＰのポリゴンスキャナモー
タに使用する場合は、ポリゴンミラー（図示省略）が軸
部材１０に固定される。

【００２２】軸受ユニット１は、スピンドルとなる軸部
材１０と、軸部材１０の外周側に配置した軸受部材２０
と、軸受部材２０の一端開口部を封口する閉塞部材３０
とを主な構成要素とする。図１の実施形態では、軸受部
材２０および閉塞部材３０がそれぞれケーシング６の内
周に固定されている。ケーシング６を省略し、軸受部材
２０の外周に直接ステータ４を装着したり、閉塞部材３
０を軸受部材２０の内周に直接固定してもよい。

【００２３】なお、以下の説明では、軸受部材２０の一
端側（閉塞部材３０によって封口されている側：図面下
方）を「封口側」、その反対側（図面上方）を「反封口
側」と呼ぶ。

【００２４】軸部材１０は、機械加工性や耐摩耗性に優
れる金属材料、例えばステンレス鋼等で形成される。軸
部材１０には、軸方向の一方側（本実施形態では封口
側）を大径に、他方側を小径にした円錐台状の円錐部１
１が設けられ、この円錐部１１の反封口側に円筒状の円
筒部１２が一体形成されている。軸部材１０の円筒部１
２をディスクハブ３の内周に圧入等で固定することによ
り、ディスクハブ３と軸部材１０が一体化されている。

【００２５】閉塞部材３０は銅合金や真鍮等の金属材料
で板状に形成される。この閉塞部材３０の反封口側の端
面３１は、軸部材１０の端面１３との対向位置にあり、
回転時にスラスト荷重を支持するスラスト支持面として
機能する。

【００２６】軸受部材２０は、焼結金属に潤滑油あるい
は潤滑グリースを含浸させて気孔内に油を保有させた含
油焼結金属によって形成される。焼結金属としては、例
えば銅系、あるいは鉄系、またはその双方を主成分とす
るものが使用でき、望ましくは銅を２０〜９５％使用し
て形成される。

【００２７】軸受部材２０の内周面２１は、軸部材１０
の円錐部１１の外周形状に対応したテーパ面状に形成さ
れる。この軸受部材２０のテーパ面２１と軸部材１０の
円錐部１１の外周面とは互いに平行に形成されており、
これより軸受部材２０の内周と軸部材１０の円錐部１１
の外周との間には、軸方向の一方側（本実施形態では封
口側）を大径とし、他方側を小径とした傾斜軸受隙間Ｃ
１が形成される。なお、傾斜軸受隙間Ｃ１の隙間幅はそ
の全域で均一である。

【００２８】軸受部材２０のテーパ面２１には、複数の
動圧溝４２を有する傾斜軸受面４１が形成される。図２
は、テーパ面２１の軸方向二箇所に形成した傾斜軸受面
４１を例示するもので、この傾斜軸受面４１には、それ
ぞれμｍオーダーの深さでヘリングボーン型に配列した
動圧溝４２が形成されている。

【００２９】このように焼結金属製の軸受部材２０の内
周に傾斜軸受面４１を形成する場合、動圧溝４２は、圧
縮成形、すなわち焼結金属の内周に、外周面に傾斜軸受
面４１の動圧溝形状に対応した溝型を有する成形型（コ
アロッド等）を配置し、その状態で焼結金属を圧迫し
て、焼結金属の内周に溝型形状に対応した動圧溝を転写
することにより、低コストにかつ高精度に成形すること
ができる。この場合、焼結金属の成形型からの脱型は、
圧迫力を解除することによる焼結金属のスプリングバッ
クを利用して簡単に行える。脱型後の焼結金属に潤滑油
や潤滑グリース等の潤滑剤を含浸して内部の気孔に油を
保有させることにより、軸受部材２０が得られる。

【００３０】図１に示すように、軸部材１０の封口側端
面１３と、これに対向する閉塞部材３０の端面（スラス
ト支持面３１）との間には、スラスト軸受隙間Ｃ２が形
成される。このスラスト軸受隙間Ｃ２に面するスラスト
支持面３１には、μｍオーダーの深さで複数の動圧溝５
２を有するスラスト軸受面５１が形成される。スラスト
軸受面５１の動圧溝形状は任意に定めることができ、例
えばヘリングボーン型やスパイラル型等が使用可能であ
る。

【００３１】以上の構成において、軸部材１０と軸受部
材２０とを相対回転させると（本実施形態では軸部材１
０を回転させると）、傾斜軸受隙間Ｃ１に存在するμｍ
オーダーの厚みの油膜が流体潤滑的な動圧効果を発揮
し、図３に示すように軸部材１０に対して水平方向（ラ
ジアル方向）の分力Ｆｒと垂直方向（スラスト方向）の
分力Ｆｔが作用する。同時にスラスト軸受隙間Ｃ２に存
在する油膜による動圧効果により軸部材１０に浮上力が
作用する。水平方向の分力Ｆｒによって軸部材１０と軸
受部材２０が互いに離間され、これにより軸部材１０が
ラジアル方向で非接触支持される。同時に鉛直下向きの
部力Ｆｔと軸部材１０の重力（ディスクハブ３等の自重
も含む）の合計がスラスト軸受隙間Ｃ２で生じる浮上力
と釣り合い、軸部材１０がスラスト方向で非接触支持さ
れる。以上より、軸部材１０を含む軸系が回転自在に非
接触支持される。

【００３２】本発明では、上述のように軸受部材２０を
焼結金属で形成している。焼結金属は、ステンレス鋼や
銅合金、真鍮といった従来の素材に比べて塑性変形させ
やすいので、テーパ面２１を有する軸受部材２０を精度
よく低コストに成形することができる。特に図２に示す
ように、テーパ面２１に動圧溝付きの傾斜軸受面４１を
形成する場合、上述のように傾斜軸受面４１を圧縮成形
できるので、機械加工やエッチングで動圧溝を加工せざ
るを得なかった従来品に比べ、製造コストを大幅に低廉
化することができる。

【００３３】また、焼結金属は多孔質材料であり、軸受
の運転中は、内部の油が熱膨張や圧力の発生等によって
常時表面から滲み出すので、軸受隙間Ｃ１，Ｃ２で安定
して油膜を形成することができる。従って、軸部材１０
の回転に伴う遠心ポンプ作用で傾斜軸受隙間Ｃ１の大径
側に油が押し込まれた場合でも、軸受部材２０から滲み
出した油が潤滑不足となる傾斜軸受隙間Ｃ１の小径側に
速やかに補充されるため、傾斜軸受隙間Ｃ１の全域で確
実に油膜を形成することができ、安定した動圧効果が得
られる。

【００３４】さらに、油は軸受部材２０の内部と軸受隙
間Ｃ１，Ｃ２の間で循環するため、せん断による油の劣
化を抑制することができ、軸受寿命の向上が図られる。

【００３５】図２では、軸受部材２０の傾斜軸受面４１
にヘリングボーン型の動圧溝４２を形成しているが、動
圧溝４２を、図４に示すように軸方向の直線状（軸方向
平面に配置した直線状）として、これを円周方向の複数
箇所に等間隔に配列することもできる。

【００３６】傾斜軸受面４１は、上記のような動圧溝４
２，５２付きとする他、その半径方向断面の輪郭線を非
真円形状としてもよい（非真円軸受）。図５はその一例
として軸受部材２０内周の傾斜軸受面４１を調和波形か
らなる波状面に形成したものであり、この場合、非真円
の傾斜軸受面４１に対向する軸部材１０の円錐部１１外
周は真円状に形成される。

【００３７】この場合の傾斜軸受隙間Ｃ１の幅ｈは、偏
心がない場合（軸心Ｏ）には次式によって近似的に表さ
れる。

【００３８】ｈ＝ｃ＋ａｗ・ｃｏｓ（Ｎｗ・θ）但し、上式において、ｃ、ａｗ、Ｎｗは定数で、ｃは平
均軸受半径隙間、ａｗは波の振幅、θは円周方向の位
相、Ｎｗは波数を表す（但し、Ｎｗ≧２とする。本実施
形態ではＮｗ＝３である）。

【００３９】この非真円の傾斜軸受面４１では、軸受の
運転時に円周方向の複数箇所でくさび形流体膜が形成さ
れるため、流体潤滑的な動圧が発生し、図２および図４
に示す動圧溝４２付きの傾斜軸受面４１の場合と同様
に、軸部材１０を含む軸系を回転自在に非接触支持する
ことができる。図面では、軸部材１０と軸受部材２０の
軸心Ｏを同軸にしているが、軸部材１０を軸心Ｏ’に偏
心させて使用することもできる。

【００４０】このように軸受部材２０に非真円の傾斜軸
受面４１を形成する場合、傾斜軸受面４１は、上記と同
様の圧縮成形により成形することができる。すなわち焼
結金属の内周に非真円形状に対応した成形型を配置した
後、焼結金属を圧迫して塑性変形させることにより、傾
斜軸受面４１の全領域を非真円形状も含めて同時成形す
ることができる。これにより、傾斜軸受面４１の後加工
を不要にして加工工数を削減し、高い成形精度で安定し
た品質の製品を大量生産することが可能となり、製造コ
ストの大幅な抑制が図られる。

【００４１】以上の説明では軸受部材２０内周のテーパ
面２１に傾斜軸受面４１を形成する場合を例示したが、
上述した各種の傾斜軸受面４１を軸部材１０の円錐部１
１外周に形成しても同様の動圧効果が得られる。また、
以上の説明では、スラスト軸受面５１をスラスト支持面
３１に形成しているが、これをスラスト支持面３１と対
向する軸部材１０の端面１３に形成しても同様の動圧効
果が得られる。また、傾斜軸受隙間Ｃ１は、図１および
図２と傾斜方向を逆にし、封口側を小径に、反封口側を
大径に形成してもよい。

【００４２】以上に説明した軸受ユニットを情報機器用
スピンドルモータ、例えば図１に示すＨＤＤ用ディスク
ドライブモータに使用することにより、ディスクに対す
る読み取り精度や書き込み精度を害することなく、スピ
ンドルモータの薄型化を図ることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、軸方向寸法を小さくし
た小型の動圧型軸受ユニットを安価に提供することがで
きるので、ＨＤＤ等の情報機器用スピンドルモータの薄
型化も容易に実現できる。また、傾斜軸受隙間の全域で
安定した動圧効果が得られるので、高い回転精度を確保
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる動圧型軸受ユニットの軸方向の
断面図である。

【図２】図１に示す動圧型軸受ユニットの要部拡大断面
図である。

【図３】傾斜軸受隙間での動圧効果を説明する概略断面
図である。

【図４】本発明の他の実施形態を示す軸方向の断面図で
ある。

【図５】本発明の他の実施形態を示す半径方向の断面図
である。

【図６】従来の動圧型軸受ユニットを示す軸方向の断面
図である。

【符号の説明】

１０軸部材１１円錐部１３端面２０軸受部材２１テーパ面３１スラスト支持面４１傾斜軸受面４２動圧溝５１スラスト軸受面５２動圧溝Ｃ１傾斜軸受隙間Ｃ２スラスト軸受隙間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸部材と、軸部材の外周に配置した軸受
部材と、軸部材の外周と軸受部材の内周との間に形成さ
れ、軸方向一方側で小径に、他方側で大径に形成された
傾斜軸受隙間とを有し、傾斜軸受隙間で生じた流体動圧
により軸部材を非接触支持する動圧型軸受ユニットにお
いて、軸受部材を焼結金属で形成したことを特徴とする動圧型
軸受ユニット。
【請求項２】軸部材の外周、または軸受部材の内周の
うち何れか一方に、傾斜軸受隙間と対向させて複数の動
圧溝を有する傾斜軸受面を形成した請求項１記載の動圧
型軸受ユニット。
【請求項３】動圧溝をヘリングボーン型に配列した請
求項２記載の動圧型軸受ユニット。
【請求項４】動圧溝を軸方向の直線状として円周方向
の複数箇所に配列した請求項２記載の動圧型軸受ユニッ
ト。
【請求項５】軸部材の外周、または軸受部材の内周の
うち何れか一方に、傾斜軸受隙間と対向させて断面非真
円の傾斜軸受面を形成した請求項１記載の動圧型軸受ユ
ニット。
【請求項６】断面非真円の傾斜軸受面を調和波形から
なる波状面に形成した請求項５記載の動圧型軸受ユニッ
ト。
【請求項７】さらに、軸部材の端面とスラスト軸受隙
間を介して対向するスラスト支持面を有する請求項１〜
６何れか記載の動圧型軸受ユニット。
【請求項８】軸部材の端面、またはスラスト支持面の
うち何れか一方に複数の動圧溝を有するスラスト軸受面
を形成した請求項７記載の動圧型軸受ユニット。
【請求項９】スラスト軸受面の動圧溝をヘリングボー
ン型に配列した請求項８記載の動圧型軸受ユニット。
【請求項１０】スラスト軸受面の動圧溝をスパイラル
型に配列した請求項８記載の動圧型軸受ユニット。
【請求項１１】請求項１〜１０何れか記載の動圧型軸
受ユニットでスピンドルを支持した情報機器用スピンド
ルモータ。