JP2003232353A

JP2003232353A - 動圧型軸受装置

Info

Publication number: JP2003232353A
Application number: JP2002029520A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Kawase; 達夫川瀬
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】スプリングバック後の変形に起因した各方向
における軸受剛性差を解消することにより、高い回転精
度を有する動圧型軸受装置を提供する。【解決手段】含油焼結金属からなる軸受部材１を有底
筒状のハウジング９内周に固定し、ラジアル軸受隙間や
スラスト軸受隙間に生じた油の動圧で軸部材７を非接触
支持する。軸受部材１の外周には、その両端面に開口さ
せて潤滑流体が流れる循環溝１２を三つ形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸受隙間に生じた
流体動圧で軸を非接触支持する動圧型軸受装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】動圧型軸受装置は、非接触で軸を支持す
ることから、高回転精度、高速回転、低騒音、低コスト
等の特徴を備えるものであり、近年ではこれらの特徴か
ら、ＨＤＤ等の磁気ディスク、ＤＶＤ等の光ディスク、
ＭＯ等の光磁気ディスクのスピンドルモータやレーザビ
ームプリンタのポリゴンスキャナモータ等におけるスピ
ンドル支持用の軸受としての使用が期待され、あるいは
実際に使用されている。

【０００３】この動圧型軸受装置は、スリーブ状の軸受
部材を有底筒状のハウジングの内周に固定すると共に、
軸受部材の内周に挿入した軸を、ラジアル軸受隙間、も
しくはラジアル軸受隙間とスラスト軸受隙間の双方で生
じた動圧により支持する構造である。一般にこの種の軸
受では、ハウジングの底部に形成されたスラスト受け面
とこれに対向する軸受部材の端面とで挟まれた空間が密
閉構造となるため、この密閉空間を外気に開放させるべ
く、軸受部材の外周にはその両端面に開口させて軸方向
の溝（循環溝）が形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで軸受部材の製
造工程では、軸受部材は、スリーブ状の焼結金属をダイ
に入れてサイジングすることにより、所定寸法に成形さ
れる。サイジング後は、脱型に伴ってスプリングバック
が生じ、軸受部材の外周が外径側に膨らむが、サイジン
グ中の循環溝部分はダイと接触しておらず、内径側に圧
迫されていないため、他所に比べて脱型後のスプリング
バック量は小さくなる。そのため、サイジング後は、図
８に示すように、軸受部材２１の外周や内周は真円では
なく、循環溝２３付近を小径とする異形断面形状とな
る。従来では、軸受部材２１の外周二箇所（１８０°対
向位置）に循環溝２３を形成することが多く、その場
合、サイジング後の断面形状は循環溝２３部分を短軸と
する楕円形となる。

【０００５】しかしながら、このような楕円形状のまま
では、軸受部材２１の内周と軸２５外周との間のラジア
ル軸受隙間に狭い部分（短軸方向）と広い部分（長軸方
向）とが形成される。この場合、ラジアル軸受隙間の広
い部分で流体動圧による軸の浮上効果が低下するため、
楕円長軸方向の軸受剛性が低下して軸の振れ回りを招
き、NRRO等に悪影響を及ぼすことが懸念される。

【０００６】そこで、本発明は、スプリングバック後の
変形に起因した各方向における軸受剛性差を解消するこ
とにより、高い回転精度を有する動圧型軸受装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【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、含油焼結金属からなり、軸部材
の外周とラジアル軸受隙間を介して対向する軸受部材
と、軸受部材を内周に固定したハウジングとを備え、軸
部材と軸受部材の相対回転でラジアル軸受隙間に流体動
圧を発生させて軸部材を非接触支持し、かつ軸受部材の
外周に、その両端面に開口させて潤滑流体が流れる溝を
形成した動圧型軸受装置において、上記溝を三つ以上、
好ましくは三つ設けることとした。

【０００８】このように三つ以上の溝を設けることによ
り、各方向における軸受剛性が増すため、軸受の回転精
度を高めることが可能となる。

【０００９】軸部材に軸受部材の一方の端面と対向する
フランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部の
端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に流体動圧を
発生させることにより、軸部材をスラスト方向でも非接
触支持することが可能となる。この場合、スラスト軸受
隙間の潤滑流体が遠心力の影響でより多く溝に流入する
ようになるが、三つ以上の循環溝があれば、かかる潤滑
流体も確実に吸収することができる。

【００１０】軸受面の動圧溝が、上記スラスト軸受隙間
に潤滑流体を押し込むような非対称形状である場合、溝
への潤滑流体の流入量がさらに増えるが、この場合でも
潤滑流体を余裕を持って吸収することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１乃
至図８に基づいて説明する。

【００１２】図１に示すように、本実施形態における動
圧型軸受装置は、スリーブ状の軸受部材１と、軸部材７
と、有底筒状のハウジング９とを主要な構成要素とす
る。

【００１３】軸受部材１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細孔内に油を保有させた含油
焼結金属で形成される。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％使用して成形され
る。この軸受部材１は、従来と同様に、圧粉成形→焼結
→サイジング→含油の各工程を経て製造され、このよう
にして得られた軸受部材１の内周面および一方の端面１
ａには、プレス加工等の手段によって後述する動圧発生
用の溝３（動圧溝）が形成される。

【００１４】軸受部材１の内周には、動圧発生手段とし
て複数の動圧溝３を有するラジアル軸受面５ａ，５ｂが
形成される。図示例では、軸方向に離隔させて二つのラ
ジアル軸受面５ａ，５ｂを形成した場合を例示している
が、ラジアル軸受面５ａ，５ｂの数は、二つに限られ
ず、一つあるいは三つ以上とすることもできる。ラジア
ル軸受面５ａ，５ｂの動圧溝３は、軸方向に対して傾斜
した形状であれば足り、図示のようなヘリングボーン形
に配列する他、スパイラル形に配列することもできる。
この他、調和波形等の動圧溝を有しない非真円形のラジ
アル軸受面を使用することも可能である。

【００１５】軸部材７は、ステンレス鋼等の金属材で形
成され、ストレート状の軸部７ａと軸部７ａの端部に設
けられた円板状のフランジ部７ｂとで構成される。軸部
７ａとフランジ部７ｂは、圧入した別部品で形成する
他、鍛造等の手段で一体成形することもできる。

【００１６】ハウジング９は一端を開口すると共に、他
端を閉じた有底筒状に形成される。軸受部材１は、ハウ
ジング９の内周に圧入や接着等の手段で固定される。こ
の時、軸受部材１の内周に軸部材７の軸部７ａが配置さ
れ、ハウジング９の底部９ａと軸受部材１の一方の端面
１ａとの間の空間にフランジ部７ｂが配置される。ハウ
ジング底部９ａは、図示のように筒状のハウジング本体
９ｂと一体成形する他、ハウジング本体９ｂとは別部品
で形成し、これらを嵌合することにより組み立てること
もできる。ハウジング本体９ｂの開口部は、潤滑流体と
しての油の流出を防止するため、シール部材１０によっ
て密封されており、シール部材１０とこれに対向する軸
受部材１の端面１ｂとの間には、保油効果を高めるた
め、軸方向の僅かな隙間が形成されている。

【００１７】この状態では、フランジ部７ｂの両端面７
ｂ１，７ｂ２は、軸受部材１の一方の端面１ａ、および
ハウジング底部９ａのスラスト受け面９ａ１とそれぞれ
対向している。フランジ部７ｂと対向する軸受部材１の
端面１ａおよびスラスト受け面９ａ１には、動圧発生手
段として複数の動圧溝（図示省略）を備えたスラスト軸
受面１１ａ，１１ｂがそれぞれ形成される。スラスト軸
受面１１ａ，１１ｂの動圧溝形状は任意であり、ラジア
ル軸受面５ａ，５ｂと同様にヘリングボーン形やスパイ
ラル形の動圧溝を形成する他、ステップ形のスラスト軸
受面を形成することもできる。動圧溝は、軸受部材端面
１ａやスラスト受け面９ａ１に代えてフランジ部７ｂの
両端面７ｂ１，７ｂ２に形成することもでき、この場合
には、フランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２に上記ス
ラスト軸受面が形成される。

【００１８】ラジアル軸受面５ａ，５ｂと軸部７ａの外
周面との間の微小隙間（ラジアル軸受隙間）、およびス
ラスト軸受面１１ａ，１１ｂとこれに対向する面（図示
例ではフランジ部７ｂの両端面７ｂ１，７ｂ２）との間
の微小隙間（スラスト軸受隙間）には、それぞれ潤滑流
体としての油が満たされている。軸部材７と軸受部材１
の相対回転時（本実施形態では軸部材７の回転時）に
は、各軸受面５ａ，５ｂ，１１ａ，１１ｂの作用によ
り、ラジアル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に油の動
圧が生じ、軸部材７がラジアル方向およびスラスト両方
向で軸受部材１に対して非接触支持される。

【００１９】軸受部材１の外周には、従来と同様に、そ
の両端面１ａ，１ｂに開口した溝、すなわち循環溝１２
が軸方向に向けて形成される。この循環溝１２は、ハウ
ジング９の底部９ａと、軸受部材１の端面１ａとの間の
密閉空間を軸受外部と連通させるもので、油を軸方向に
流動させる通路としての役割を果たす。循環溝１２中の
油は軸受部材１に吸収され、さらに軸受部材１表面から
滲み出して各軸受隙間に再供給される。本発明では、後
述する理由から、この循環溝１２を円周方向等間隔に三
つ以上、好ましくは三つ設けることとしている（図２参
照）。

【００２０】このように循環溝１２を三つ形成した場
合、サイジング後は、循環溝１２部分と他の部分とのス
プリングバック量の相違より、軸受部材１は、図４に示
すように、３つの大径円弧１３からなる略三角形状の断
面に変形する（以下、このように変形した軸受部材を３
円弧軸受と称する）。また、循環溝１２を四つ形成した
場合、同様の理由からサイジング後の軸受部材は、図5
に示すように四つの大径円弧１３からなる略四角形状の
断面に変形する（４円弧軸受と称する）。図示は省略す
るが、５以上の循環溝１２を設けた場合も、循環溝１２
と同数の大径円弧を有する多角形状（５円弧軸受、６円
弧軸受等）の断面に変形する。なお、図４および図５
は、理解の容易化のため、真円に対する変形度合いを誇
張して描いているが、肉眼ではこれほど明確な変形は確
認できない。

【００２１】図３は、従来のジャーナル軸受である２円
弧軸受、３円弧軸受、および４円弧軸受における油膜の
無次元剛性の解析結果を示すものである。これは、軸受
隙間内の流体圧力をレイノルズ方程式という二階の微分
方程式で表し、それをコンピュータによって数値的に解
いて得られたものである。圧力が負圧になる領域では、
圧力境界条件としてレイノルズ条件を用いている。ここ
でいうレイノズル条件は、油膜破断部で圧力勾配が０と
なり、流量の連続を満足する条件である。

【００２２】ここでの２円弧軸受、3円弧軸受、および4
円弧軸受は、それぞれ円周方向に１０°の幅の循環溝１
２をそれぞれ２つ，３つ，および４つ等間隔に設けた軸
受である。また、何れの軸受でも軸受部材１の軸方向長
さＬと外径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）を０．５に設定してい
る。また、軸部材７の偏心率εは、ε＝０．１を基準と
している（２円弧軸受の場合の偏心率はε＝０．０８６
８としている）。なお、ε＝０は図６に破線で示すよう
に軸受部材１と軸部材７の軸心が一致した状態を、ε＝
１は同図に二点鎖線で示すように軸部材７が軸受部材１
に内接した状態をそれぞれ表す（図６のラジアル軸受隙
間の幅は誇張して描かれている）。

【００２３】図中のＫｘｘ、Ｋｙｙ、Ｋｘｙ、Ｋｙｘは
油膜の弾性定数を表すもので、それぞれ数値的に解いた
圧力部分布を軸受面で積分し、求めたｘ方向及びｙ方向
の荷重をｘ、ｙ方向にそれぞれ数値微分することによっ
て求められる。これらは無次元で表され、四つの無次元
剛性をＫijで表すと、有次元の剛性ｋijは、以下の式で
表される。

【００２４】ｋij＝（Ｗ／Ｃｐ）Ｋij ここでＷは軸受荷重、Ｃｐは軸受半径隙間を表す。

【００２５】添え字のｘｘはＸ方向（楕円の短軸方向）
の力を生じるＸ方向の変位を、ｙｙはＹ方向（楕円の長
軸方向）の力を生じるＹ方向の変位を、ｘｙはＸ方向の
力を生じるＹ方向の変位を、ｙｘはＹ方向の力を生じる
Ｘ方向の変位をそれぞれを表す。添え字ｘｙおよびｙｘ
を付したものは、自己ではない他の運動から受ける変位
に対して発生する力を示す連成項で、これが大きい場合
には軸部材７の振れ回り振動の不安定性が増すこととな
る。図３からは、２円弧軸受ではＫｘｘとＫｙｙがバラ
ンスされておらず、荷重方向による軸受剛性の差が大き
いのに対し、３円弧軸受や４円弧軸受では両値のバラン
スがとれているためにこのような不都合がないことが理
解できる。以上から、スプリングバック後の軸受部材１
の断面形状が３円弧軸受や４円弧軸受に近似するよう、
循環溝１２の数は三つ以上とするのが好ましい。

【００２６】その一方、量産化する場合のラジアル軸受
隙間の隙間管理を考えた場合、４円弧軸受では、計測方
向によって内径寸法の差が大きくなるのに対し（図５の
矢印参照）、３円弧軸受では、そのような差が小さい
（図４の矢印参照）。そのため、４円弧軸受に比べ、３
円弧軸受の方が内径寸法の公差レンジを緩くでき、より
低コストに製造できる。また、図３によれば、連成項Ｋ
ｘｙ、Ｋｙｘの絶対値は３円弧軸受の方が小さいので、
この点でも３円弧軸受の方が好ましい。一方、５円弧以
上の軸受では、スプリングバック変形後の断面形状が真
円軸受に近くなるため、軸部材７にホワールと呼ばれる
不安定な自励振動が生じる懸念があるし、溝加工のコス
トも増大する。以上の理由から、スプリングバック変形
後の断面形状が３円弧軸受に近似するよう、循環溝は三
つ形成するのが最も好ましい。

【００２７】図７は、二つのラジアル軸受面５ａ，５ｂ
のうち、ハウジング９の閉じ側の軸受面５ａを軸方向で
非対称に形成し、動圧溝３によるハウジング閉じ側（図
面下方）への油の押し込み力を強化した構造である。こ
の場合、油膜の形成領域がハウジング閉じ側にずれるた
め、循環溝１２に流入する油量が増え、従来のような二
つの循環溝（２３：図８参照）では油の流動速度を十分
に吸収できない懸念があるが、上述のように循環溝１２
を三つ以上設けることにより、かかる不具合を回避する
ことができる。循環溝の数は、油の流動に応じて定める
ことができるが、回転精度を考えると、上述のように三
つの循環溝１２を形成するのが最も好ましい。

【００２８】

【発明の効果】このように本発明によれば、軸受部材の
外周に三つ以上の循環溝を形成しているので、サイジン
グ後の軸受部材のスプリングバック変形に基づく軸受剛
性の不安定化を防止することができ、軸受の回転精度を
さらに高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる動圧型軸受装置の縦断面図であ
る。

【図２】軸受部材の斜視図である。

【図３】各種軸受における無次元剛性を示す図である。

【図４】３円弧軸受の横断面図である。

【図５】４円弧軸受の横断面図である。

【図６】偏心率を説明する横断面図である。

【図７】軸方向で非対称のラジアル軸受面を形成した動
圧型軸受装置の縦断面図である。

【図８】２円弧軸受の横断面図である。

【符号の説明】

１軸受部材１ａ端面（ハウジング閉じ側）１ｂ端面（ハウジング開き側）３動圧溝５ａラジアル軸受面（ハウジング閉じ側）５ｂラジアル軸受面（ハウジング開き側）７軸部材７ａ軸部７ｂフランジ部９ハウジング９ａハウジング底部９ａ１スラスト受け面９ｂハウジング本体１０シール部材１１ａスラスト軸受面（ハウジング開き側）１１ｂスラスト軸受面（ハウジング閉じ側）１２循環溝１３大径円弧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸部材と、含油焼結金属からなり、軸部
材の外周とラジアル軸受隙間を介して対向する軸受部材
と、軸受部材を内周に固定したハウジングとを備え、軸
部材と軸受部材の相対回転でラジアル軸受隙間に流体動
圧を発生させて軸部材を非接触支持し、かつ軸受部材の
外周に、その両端面に開口させて潤滑流体が流れる溝を
形成した動圧型軸受装置において、上記溝を三つ以上有することを特徴とする動圧型軸受装
置。
【請求項２】上記溝を三つ有する請求項１記載の動圧
型軸受装置。
【請求項３】軸部材に軸受部材の一方の端面と対向す
るフランジ部を設け、軸受部材の当該端面とフランジ部
の端面との間に形成されたスラスト軸受隙間に流体動圧
を発生させる請求項１または２記載の動圧型軸受装置。
【請求項４】軸受面の動圧溝が、上記スラスト軸受隙
間に潤滑流体を押し込むような非対称形状である請求項
３記載の動圧型軸受装置。