JP2003329037A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラスト軸受として磁気軸受を使用する場合
に問題となり得る寸法上および磁気特性上のばらつきに
起因する悪影響を排除して、回転安定度を向上させるこ
とができる軸受装置を提供する。 【解決手段】 スラスト軸受３０とラジアル軸受４０と
を備えてなる軸受装置Ａであって、前記スラスト軸受３
０は、内側に設けられた吸引部と外側に設けられた反発
部とを組合わせてなる磁気軸受とされてなるものであ
る。この場合、反発力が吸引力より強くされてなるのが
好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸受装置に関す
る。さらに詳しくは、例えばハードディスク・ドライブ
の回転軸受のような、高速回転性、静粛性および回転安
定度が要求される軸受に用いるのに好適な軸受装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、軸受装置における高速回転性、高
回転安定度および清浄性に関する要求がますます高まっ
ている。例えば、ハードディスク・ドライブでは、回転
ディスク（磁気メディア）における記録密度等を向上さ
せるために、磁気ヘッドとの距離を例えば１０ｎｍ（ナ
ノ・メートル）〜２０ｎｍ程度に保ちつつディスクを高
速回転させることが必要とされる。このため、回転ディ
スクを軸支する軸受装置には、軸振れが極めて小さい高
度の回転安定性が要求されるとともに、粉塵の発生を極
力抑えることが可能な清浄性（クリーン性）が要求され
る。

【０００３】そこで、現在、このようなハードディスク
・ドライブの軸受装置においては、従来の玉軸受などの
接触式の軸受に代えて、オイル・ベアリングや空気軸受
などの流体軸受によって非接触に回転体を軸支する方法
が注目されるようになってきている（例えば、特開２０
００−２１３５３４号公報参照）。

【０００４】図６に、動圧空気軸受を用いたハードディ
スク・ドライブの軸受装置の一例を示す。この軸受装置
１００は、電動機１０１の出力回転軸として機能する中
空円筒形の回転体１０２と、回転体１０２を軸支する固
定軸体１０３と、動圧空気軸受からなるラジアル軸受１
０４およびスラスト軸受１０５とから構成される。電動
機１０１のロータ１０６はリング状の永久磁石１０７を
有する一方、固定軸体１０３と一体的に形成されたステ
ータ部１０８外周面には、永久磁石１０７の内周面に各
突極１０９ａを対向させるようにして複数のステータ・
コイル１０９が放射状に設けられている。

【０００５】この軸受装置１００において、ラジアル軸
受１０４は、固定軸体１０３の外周面に所定形状の動圧
溝（不図示である）を形成することによって、固定軸体
１０３外周面と回転体１０２内周面との相対運動によっ
て潤滑膜圧力を得るものとされる。

【０００６】また、スラスト軸受１０５は、固定軸体１
０３の上下両端縁部に設けられた各フランジ部１０３
ａ、１０３ｂと回転体１０２の上下両端面との間隙にお
いて、各フランジ部１０３ａ、１０３ｂの回転体１０２
との対向面に同様の動圧溝を形成するようにして潤滑膜
圧力を得るものとされる。

【０００７】このように、ハードディスク・ドライブの
回転軸受として動圧空気軸受を用いることによって、非
接触に回転体を軸支することが可能となり、また、油潤
滑に付随する様々な問題（油の劣化等）を解消すること
も可能となる。

【０００８】ところが、動圧軸受においては潤滑膜圧は
回転数に比例し、特に軸受面の面積および相対速度が比
較的小さいスラスト軸受においては高回転数に達するま
で十分な圧力を得ることができず、軸受面が摩擦して粉
塵が発生するおそれがあるという問題がある。

【０００９】そのため、未だ公知ではないが、スラスト
軸受として回転数に拘わらず回転体を非接触に軸支する
ことが可能な磁気軸受を用いる試みもなされている。と
ころが、磁気軸受をスラスト軸受として用いた場合、磁
極間の反発力がラジアル方向に作用して回転精度の悪化
が問題となることがある。

【００１０】すなわち、スラスト軸受として磁気軸受を
用いた場合、軸受間のエアギャップの左右非対称性、磁
石周り部品の材質（特に磁気特性）の非対称性および磁
石内径側と外径側との磁力差等に起因して回転体に対し
てラジアル方向に力が発生する。この力は円周に沿って
均等に発生するものであり、この結果、各力が相殺され
るため、本来、外力として顕れることはないものであ
る。

【００１１】ところが、実際の機械には加工精度のばら
つきが必ずあり、これに起因してラジアル方向に働く各
力の間にアンバランスが生じるため、回転ムラが引き起
こされて、回転の安定度が低下するといった問題があ
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる磁気軸
受の課題に鑑みなされたものであって、スラスト軸受と
して磁気軸受を使用する場合に問題となり得る寸法上お
よび磁気特性上のばらつきに起因する悪影響を排除し
て、回転安定度を向上させることができる軸受装置を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の軸受装置は、ス
ラスト軸受とラジアル軸受とを備えてなる軸受装置であ
って、前記スラスト軸受は、内側に設けられた吸引部と
外側に設けられた反発部とを組合わせてなる磁気軸受と
されてなることを特徴とする。

【００１４】本発明の軸受装置においては、反発力が吸
引力より強くされてなるのが好ましい。

【００１５】また、本発明の軸受装置においては、ラジ
アル軸受が動圧空気軸受とされてなるのが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明は、前記の如く構成されているので、磁
気特性上のばらつきなどによりラジアル方向に力が発生
してもその力は吸引部に吸収され、それにより回転安定
度が確保される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる
実施形態のみに限定されるものではない。

【００１８】実施形態１ 図１に本発明の実施形態１に係る軸受装置の概略構成を
示し、この軸受装置Ａは、詳細は図示しない電動機と一
体的に形成されるものとされ、この電動機の出力回転軸
として機能する回転体１０と、回転体１０を回転可能に
支持する固定軸体２０と、回転の軸方向の荷重（スラス
ト荷重）を受けるスラスト軸受３０と、ラジアル方向
（径方向）の荷重を受けるラジアル軸受４０と、前掲の
電動機のステータとして機能するステータ部５０とを主
要構成要素として備えてなる。

【００１９】回転体１０は、横断面が高さ方向に一様な
カップ形状を有する例えばアルミ合金から形成されてい
る。また、回転体１０は、電動機ロータと一体的に形成
され電動機ロータと一体的に回転する。

【００２０】固定軸体２０は、中空部２１を有する太短
の円柱形状とされ、上から被せられるようにして外装さ
れる回転体１０をスラスト軸受３０およびラジアル軸受
４０を介して非接触に軸支する。

【００２１】また、中空部２１は、固定軸体２０とステ
ータ部５０とを保持するためのネジ孔として用いられ
る。つまり、中空部２１はステータ部５０下方よりネジ
等を挿通して固定軸体２０とステータ部５０とを一体化
するために設けられる。

【００２２】次に、スラスト軸受３０を説明する。

【００２３】図２に、スラスト軸受３０の詳細を示す。
スラスト軸受３０は、回転体１０に内側底面１１と面一
となるように設けられる永久磁石（以下、回転体側磁石
という）３１と、これと対向させて固定軸体２０に上端
面２２と面一となるように設けられる永久磁石（以下、
固定体側磁石という）３２とからなり、回転体側磁石３
１と固定体側磁石３２との間に作用する磁気反発力によ
って回転体１０の内側底面１１を固定軸体２０の上端面
２２から浮かせるようにして支持する磁気軸受とされ
る。

【００２４】また、スラスト軸受３０は、回転体側磁石
３１および固定体側磁石３２がそれぞれ反発側磁石３１
Ａ、３２Ａと吸引側磁石３１Ｂ、３２Ｂとを有する２重
のリング状構造とされており、反発側磁石３１Ａ、３２
Ａ間に磁気反発力を作用させる一方で、吸引側磁石３１
Ｂ、３２Ｂ間にこれよりも小さい磁気吸引力を作用さ
せ、これによって回転体１０を支持するものとされてい
る。

【００２５】すなわち、回転体側磁石３１の反発側磁石
３１Ａと、固定体側磁石３２の反発側磁石３２Ａとは、
磁気反発力を得るように同極同士を対向させて回転体１
０および固定軸体２０に軸心を一致させるようにして設
けられる比較的大径の板リング状部材（例えば、内径１
０ｍｍ（ミリ・メートル）、外径１５ｍｍ、厚み１．５
ｍｍ）とされる。また、回転体側磁石３１の吸引側磁石
３１Ｂと、固定体側磁石３２の吸引側磁石３２Ｂとは、
磁気吸引力を得るように異極同士を対向させて回転体１
０および固定軸体２０に軸心を一致させるようにして設
けられる、外径が反発側磁石３１Ａ、３２Ａの内径より
も小さい比較的小径の板リング状部材（例えば、内径４
ｍｍ、外径８ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）とされる。

【００２６】また、反発側磁石３１Ａ、３２Ａの外径と
内径との差は、吸引側磁石３１Ｂ、３２Ｂの外径と内径
との差よりも大きいものとされ、したがって反発側磁石
３１Ａ、３２Ａ間の対向面の面積は吸引側磁石３１Ｂ、
３２Ｂ間の対向面の面積よりも大きい（例えば、約２．
６倍）ものとされる。

【００２７】このように、スラスト軸受３０において
は、回転体側磁石３１および固定体側磁石３２をそれぞ
れ反発側磁石３１Ａ、３２Ａと吸引側磁石３１Ｂ、３２
Ｂとから構成し、全体として回転体側磁石３１と固定体
側磁石３２との間に反発力を発生させるものとしている
ので、スラスト軸受３０として磁気軸受を使用した場合
に問題となるラジアル方向の回転ムラを抑制することが
可能となる。

【００２８】すなわち、磁気反発力を利用したスラスト
磁気軸受においては、一般に、軸受のエアギャップ（各
磁石３１、３２の間隙）の非対称性、各磁石３１、３２
とその周辺部材の材質（特に磁気特性）の非対称性およ
びリング状磁石の内径側と外径側との磁力差等に起因し
て磁気反発力がラジアル方向にも作用する。この力は円
周に沿って均等に発生するため、本来、相殺されるべき
ものと考えられる。ところが、実際には加工精度のばら
つきに起因する力のアンバランスが必ずあり完全には相
殺されないため、回転ムラが引き起こされることにな
る。

【００２９】そこで、実施形態１の軸受装置Ａにおいて
は、反発側磁石３１Ａ、３２Ａ間の反発力によって回転
体１０のスラスト荷重を支持し、かつこの反発力のラジ
アル方向成分を吸引側磁石３１Ｂ、３２Ｂ間の吸引力に
よって打ち消すように構成してラジアル方向の回転ムラ
を抑制し、回転安定度を向上させるものとされる（図３
参照）。

【００３０】また、スラスト方向においても吸引側磁石
３１Ｂ、３２Ｂ間の吸引力によって回転体１０の振れが
抑制される（図３参照）。

【００３１】次に、図４を参照してラジアル軸受４０を
説明する。

【００３２】ラジアル軸受４０は、固定軸体２０外周面
と回転体１０内周面との相対運動によって潤滑膜圧力を
得ることができるよう固定軸体２０外周に所定形状の動
圧溝を形成してなる動圧空気軸受とされている。

【００３３】すなわち、ラジアル軸受４０においては、
同図に示すように、固定軸体２０外周面に山形の各動圧
溝（ヘリングボーン溝）４１が、それぞれの頂点を周方
向に向けて２列に所定間隔で設けられており、これによ
って、下記式（１）および（２）に示すように、回転体
１０の回転数に比例する潤滑膜圧力Ｐｆを得るものとさ
れる。

【００３４】 Ｄ＝Ｄ１×μ×ω×Ｒd ×ε／ｃ （１）

【００３５】 Ｐｆ＝Ｄ／（２Ｒd×Ｌd） （２）

【００３６】ここに、 Ｄ：負荷容量 Ｄ１：無次元負荷容量係数 μ：流体粘度 ω：回転数 Ｒd：軸受半径 ε：偏心率、 ｃ：軸受隙間 Ｌd：軸受長

【００３７】このように、実施形態１の軸受装置Ａにお
いては、スラスト軸受３０の回転体側磁石３１および固
定体側磁石３２をそれぞれ反発側磁石３１Ａ、３２Ａと
吸引側磁石３１Ｂ、３２Ｂとから構成するものとしたの
で、ラジアル方向における回転ムラを小さくすることが
できるとともに、スラスト方向における振れを抑制する
ことが可能となる。

【００３８】このため、ラジアル軸受４０として簡易な
構成の動圧空気軸受を使用して非接触式にラジアル方向
の荷重を受けることができ、コスト上昇を抑えつつ高度
の清浄性および回転安定度を達成することが可能とな
る。これによって、５００００ｒｐｍを超える回転数に
対応できる軸受装置の実現も可能となる。

【００３９】実施形態２ 次に、図５を参照して本発明の実施形態２に係る軸受装
置を説明する。実施形態２の軸受装置は、スラスト軸受
３０の回転体側磁石３１および固定体側磁石３２のみを
実施形態１に対して改変し、その余の構成は実施形態１
と同様とされているので、その異なる部分のみを説明す
る。

【００４０】実施形態２のスラスト軸受３０Ａは、回転
体１０に内側底面１１と面一となるように設けられる永
久磁石（以下、回転体側磁石という）５１と、これと対
向させて固定軸体２０に上端面２２と面一となるように
設けられる永久磁石（以下、固定体側磁石という）５２
とからなり、回転体側磁石５１と固定体側磁石５２との
間に作用する磁気反発力によって回転体１０の内側底面
１１を固定軸体２０の上端面２２から浮かせるようにし
て支持する磁気軸受とされる。また、これにより、安定
ギャップが任意に決定可能となる。

【００４１】また、スラスト軸受３０Ａの回転体側磁石
５１および固定体側磁石５２はそれぞれ対向面に反発側
着磁部５１ａ、５２ａと吸引側着磁部５１ｂ、５２ｂと
がリング状に形成された板リング状部材とされており、
反発側着磁部５１ａ、５２ａ間に磁気反発力を作用させ
る一方で、吸引側着磁部５１ｂ、５２ｂ間にこれよりも
小さい磁気吸引力を作用させ、これによって回転体１０
を支持するものとされている。

【００４２】すなわち、回転体側磁石５１および固定体
側磁石５２は、磁気反発力を得るよう同極に着磁された
反発側着磁部５１ａ、５２ａを対向させかつ磁気吸引力
を得るよう異極に着磁された吸引側着磁部５１ｂ、５２
ｂを対向させるようにして回転体１０および固定軸体２
０に軸心を一致させて設けられるものとされる。

【００４３】このように、スラスト軸受３０Ａにおいて
は、回転体側磁石５１および固定体側磁石５２にそれぞ
れ反発側着磁部５１ａ、５２ａを形成するとともに吸引
側着磁部５１ｂ、５２ｂを形成するようにして、全体と
して回転体側磁石５１と固定体側磁石５２との間に反発
力を作用させるものとしているので、実施形態１と同様
の効果を奏することが可能となる。

【００４４】これに加えて、回転体側磁石５１および固
定体側磁石５２がそれぞれ１つのリング状部材から構成
されるため、部品点数を減少させて工数を削減すること
が可能となる。

【００４５】以上、本発明を実施形態に基づいて説明し
てきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるも
のではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態
ではラジアル軸受として動圧空気軸受が用いられている
が、ラジアル軸受を磁気軸受とすることもできる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
磁気特性上のばらつきなどによりラジアル方向に力が発
生してもその力は吸引部に吸収され、それにより回転安
定度が確保されるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る軸受装置の構成を示
す模式図である。

【図２】同軸受装置のスラスト軸受の構成を示す断面図
である。

【図３】同スラスト軸受の磁束密度分布の模式図であ
る。

【図４】実施形態１の軸受装置のラジアル軸受の構成を
示す斜視図である。

【図５】本発明の実施形態２に係る軸受装置の構成を示
す断面図である。

【図６】従来の軸受装置の概略構成を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】 Ａ 軸受装置 １０ 回転体 ２０ 固定軸体 ３０ スラスト軸受 ３１Ａ、３２Ａ 反発側磁石 ３１Ｂ、３２Ｂ 吸引側磁石 ４０ ラジアル軸受 ５１ａ、５２ａ 反発側着磁部 ５１ｂ、５２ｂ 吸引側着磁部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スラスト軸受とラジアル軸受とを備えて
   なる軸受装置であって、 前記スラスト軸受は、内側に設けられた吸引部と外側に
   設けられた反発部とを組合わせてなる磁気軸受とされて
   なることを特徴とする軸受装置。
2. 【請求項２】 反発力が吸引力より強くされてなること
   を特徴とする請求項１記載の軸受装置。
3. 【請求項３】 ラジアル軸受が動圧空気軸受とされてな
   ることを特徴とする請求項１記載の軸受装置。