JP2004100954A - 流体軸受システムおよびその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　動圧軸受の軸受間隙の公差が最小化される流体軸受システムを提供する。
【解決手段】　本発明の流体軸受システムは、軸受筐体２の孔８に回転可能に軸支されるシャフト１を有する少なくとも１つのラジアル軸受と、シャフト１と堅く結合され軸受筐体２の凹部５に回転可能に受け入れられるスラストプレート３及び当該スラストプレートに対向して配置されるカバープレート４を有する少なくとも１つの動圧軸受と、を備える。スラストプレート３とカバープレート４とは、軸受筐体２の共通の凹部５に配置され、当該カバープレート４は、凹部５の規定された位置に固定され、その結果、スラストプレート３の両側に、所望の間隙幅を有する軸受間隙が形成される。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、例えばディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータの回転軸受用の流体軸受、及び、その組立方法に関する。

　スピンドルモータは、通常、ステータ、ロータ及び少なくとも両者の間に配置される軸受システムから構成される。電気モータで駆動されるロータは、軸受システムにより、ステータに対して回転軸支される。軸受システムとして、転がり軸受と同様に流体滑り軸受も使用可能である。

　流体軸受システムは、軸受筐体と、該軸受筐体の軸方向の孔に配置されたシャフトとを有する。シャフトは、軸受筐体内で自在に回転し、このとき、２つの部分は、共にラジアル軸受を形成する。相互に作用するように結合されたシャフト及び軸受筐体の軸受表面は、薄くて同心で潤滑剤で充満される軸受間隙により互いに離間されている。

　少なくとも軸受表面のうちの１つは、溝模様が付けられ、回転相対運動のために、その局部的な加速力が軸受間隙にある潤滑剤に影響を及ぼす。このようにして、均質で一様な厚さの潤滑剤膜を形成するように導くある種のポンプ作用が発生し、流体力学的圧力領域を介して、潤滑剤膜は安定化される。

　毛管現象により連続して形成される潤滑剤膜及び流体力学的ラジアル軸受の自己センタリング機構は、シャフトと軸受筐体との間で安定して同心に回転するように作用する。

　回転軸に沿った移動は、対応して形成された流体力学的アキシャル軸受により防止される。流体力学的アキシャル軸受に関して、相互に作用するように結合された軸受表面は、少なくともそのうちの１つが溝模様を備え、回転軸に垂直な平面に配置され、薄く、好ましくは平坦で潤滑剤で充満された軸受間隙において、常時、軸方向に互いに離間されている。

　決められた個々の流体力学的アキシャル軸受は、所定の方向の力のみを受けることができるので、通常、対向して作動する２つの流体力学的アキシャル軸受が使用される。

　流体軸受の剛性は、実質的には、軸受間隙の大きさにより、並びに溝模様のデザイン若しくは形態による潤滑剤の粘度により、決定される。

　軸方向の力を支えるために具備された流体動圧軸受は、好ましくは、シャフトの端部に配置されたスラストプレートの２つの正面端により形成され、ここで、軸受筐体の正面端に対応するスラストプレートの１つの正面端と、カバープレートの内部にある正面端に対応する別の正面端とに配置される。カバープレートは、また、スラストプレートに対する対向軸受を形成し、軸受システム全体を下方に閉成し、潤滑剤で充満された軸受間隙に空気が侵入すること、若しくは、潤滑剤の漏出を防止する。

　転がり軸受に対する流体滑り軸受の特別な利点は、高度な作動精度、強い耐衝撃性及び少ない部品数である。定格回転数時に、滑り相手部材は、接触しないので、流体滑り軸受は、摩耗することなく、殆ど音を立てないで作動する。

　一方だけにスラストプレートが配置された上記の流体軸受システムが、例えば、下記の特許文献１に開示されている。スラストプレートは、該スラストプレートの寸法に合った軸受筐体の第１の凹部に受け入れられ、カバープレートにより覆われ、該カバープレートは、より大きな直径を有する第２の凹部に配置される。第２の凹部のより大きな直径により、軸受筐体内部に段差が存在し、この段差は、カバープレート用の軸方向のストッパとして機能する。
米国特許第６１８３１３５Ｂ１号公報

　スラストプレートの厚さ及び第１の凹部の深さに関する製造許容差に従って、スラストプレートを囲繞する軸受間隙の寸法は、軸方向に概略５０％まで変化し、それにより、軸受剛性も広範囲に変化する。

　本発明の課題は、動圧軸受の軸受間隙の公差が最小化される流体軸受システムを提供することである。

　そのような軸受システムの組立方法も、同様に提供される。

　本発明に係る軸受システムは、軸受筐体の孔に回転可能に軸支されたシャフトを有する少なくとも１つのラジアル軸受と、シャフトと堅く結合され、軸受筐体の凹部に回転可能に受け入れられたスラストプレートとカバープレートの形態で当該スラストプレートに対して配置された対向軸受とを備える少なくとも１つの動圧軸受と、を具備し、ここで、スラストプレートとカバープレートとは、軸受筐体の共通の凹部に配置される。

　本発明の望ましい実施形態においては、凹部の直径は、孔の直径よりも大きいので、ストッパが形成される。カバープレートは、ストッパからＡ＝ａ＋２Ｇの距離に配置され、そこで固定される。ここで、Ａは、凹部の残りの内側の高さを表し、ａはスラストプレートの厚さであり、Ｇはスラストプレートの上下の正面端に要求される間隙幅である。

　カバープレートは、好ましくは、遷移嵌合により凹部に挿入され、溶接若しくは接着により軸受筐体と結合される。

　流体軸受システムの組立方法は、スラストプレートが孔及び凹部の異なる直径により軸受筐体に形成されるストッパに載置されるように、シャフトと該シャフトに堅く結合されたスラストプレートとを軸受筐体に挿入するステップと、カバープレートがスラストプレートの自由面側に載置されるように、該カバープレートを凹部に挿入するステップと、シャフトを押し動かして規定された距離、すなわち所望の間隙幅Ｇの２倍に対応する距離だけカバープレートを押し戻すステップと、軸受筐体のこの位置にカバープレートを固定するステップとを備える。

　本発明は、従来技術に対する種々の利点を提供する。

　その１つは、スラストプレート及びカバープレートを受け入れるための共通の凹部だけを備えればよいので、軸受筐体の加工が簡略化されることである。別の利点は、スラストプレート、カバープレート、及び、下方に配置される誘導部となる凹部の寸法には依存しない軸受間隙Ｇが所望の大きさに調整可能であるため、これらの部分の軸方向の寸法公差に余裕ができることである。

　そのため、非常に正確で再現性のある間隙幅が形成され、これにより、同一の軸受特性を有する軸受が大量に製造可能である。

　本発明によれば、動圧軸受の軸受間隙の公差が最小化される流体軸受システムを提供することができる。

　本発明の実施の形態にかかる流体軸受システムおよびその組立方法について、以下図面を参照して説明する。

　本実施形態は、例えば、スピンドルモータの回転軸受用に適用可能な流体軸受システムを記述する。ここで、まず、ロータを保持するシャフトが、固定された軸受筐体に回転可能に配置される。しかし、本発明は、ロータと結合された軸受筐体が固定されたシャフトに軸支される構造も含む。

　図１は、スラストプレート３及びカバープレート４を受け入れるための共通の凹部を有する軸受システムを示す。この軸受システムは、軸受筐体２の孔８に自在に回転可能に配置されたシャフト１を有する。常時、シャフト１及び／又は軸受筐体２の対向する表面の１つは、既知の方法で図示しない溝模様が付けられた円筒状領域を有する。

　軸受筐体２は、その下方の正面端に、スラストプレート３を受け入れるための第１の環状の凹部５を有する。同様にして、軸受筐体２内のシャフト１は、該シャフトに堅く結合されたスラストプレート３を凹部５内で回転させる。このスラストプレート３は、シャフト１を受け入れるための円筒状の孔を有する。軸受筐体２の下方の開口部は、対向軸受を形成するカバープレート４により、気密に閉成される。カバープレート４は、スラストプレート３と共に凹部５に受け入れられる。カバープレート４は、軸受装置内への空気の侵入、若しくは、潤滑剤の漏出を防止する。

　スラストプレート３の外径は、一方で、スラストプレート３が凹部５内部で自在に回転可能であり、他方で、その外周と凹部の内周との間の間隙幅が予め定められた値に一致するように選択される。

　カバープレート４の外径は、好ましくは、概略、凹部５の内径に一致し、その結果、カバープレート４は、遷移嵌合により凹部５内に配置され、例えば、溶接若しくは接着によりそこに固定可能である。

　このようにして、スラストプレート３が固定されたシャフト１とカバープレート４で閉成された軸受筐体２との間にある軸受間隙は、連続した潤滑剤膜を形成する潤滑剤で充満され、その結果、シャフト１は、スラストプレート３と共に、軸受筐体２内部で接触することなく回転可能である。

　軸受間隙により離間されるシャフト１若しくは軸受筐体２の円筒状の表面にある少なくとも１つの溝模様は、スラストプレート３の上方に、流体力学的ラジアル軸受を形成する。シャフト１及び軸受筐体２の間の相対回転運動により、軸受間隙に、同心の圧力クッションが形成され、その力成分は、半径方向内側に向けられ、その幾何学的合計はゼロである。軸受間隙の間隔が変化することにより引き起こされる力同一荷重からの逸脱は、すぐに、自己調整的に補償され、その結果、回転軸は、力及び位置が安定化された同一荷重状態にある。

　スラストプレート３の上下の正面端側には、それぞれ流体力学的アキシャル軸受が形成される。流体力学的圧力クッションにより発生する力成分は、軸方向に、同じ大きさに対置され、そのため、軸方向に、自己安定化する力若しくは位置同一荷重を発生させる。

　第１の溝模様を有する第１の流体力学的アキシャル軸受が、ストッパ６の近傍に提供され、後述する軸方向の軸受間隙により互いに離間される軸受筐体２の円環状の正面端とスラストプレート３との間に形成される。第２の溝模様を有する第２の流体動圧軸受が、スラストプレート３の対向面側に存在し、互いに対向して載置され後述する軸方向の軸受間隙により離間されるスラストプレート３とカバープレート４との間に形成される。

　図２は、従来技術に基づく軸受システムを示す。図１の部材と対応する部材には、同一の参照番号を付している。図１の軸受システムとの違いの１つは、カバープレート４が、より大きな直径を有する第２の凹部に受け入れられ、第２のストッパ７に載置される点にある。

　シャフト１及びそれに固定されたスラストプレート３の直径は、軸受筐体２若しくは凹部５の対応する内径よりも僅かに小さい。同様に、スラストプレート３の厚さは、２つのストッパ６及び７の間にある凹部５の深さよりも小さい。また、ストッパ６及び７の領域には、それぞれ流体力学的アキシャル軸受が形成される。

　スラストプレート３の上側の軸方向の面と軸受筐体２との間、同様に、スラストプレート３の下側の軸方向の面とカバープレート４との間にある軸受間隙Ｇの寸法は、公差±Ｔ_１を含めた第１の凹部５の内法の高さＡから公差±Ｔ_２を含めたスラストプレート３の厚さａを差し引くことにより決定される。軸方向の２つの軸受間隙が同じ大きさであるという簡略化された仮定を用いて、すなわち、Ｇ１＝Ｇ２＝Ｇから以下の関係が導かれる。
　［数１］
　間隙幅Ｇ＝１／２｛（Ａ±Ｔ_１）−（ａ±Ｔ_２）｝
　　　　　＝１／２｛（Ａ−ａ）±（Ｔ_１＋Ｔ_２）｝

　上式のように、間隙幅Ｇには、第１の凹部５及びスラストプレート３の製造公差Ｔ_１及びＴ_２が含まれるので、製造する軸受ごとに軸受間隙が異なり、そのため、軸受剛性も大きく変化する。

　一方、本発明にかかる軸受システムでは、以下に説明する組立方法を実行することにより、間隙幅Ｇを高精度に調整することが可能となる。

　図１に示す軸受システムの組立時には、シャフト１及び該シャフトに堅く結合されたスラストプレート３が、シャフト１用の孔８及び凹部５の異なる直径により形成されたストッパ６に、スラストプレート３が載置されるように、軸受筐体２に挿入される。次いで、カバープレート４が凹部５に挿入され、スラストプレート３の自由面側に押圧される。

　次のステップで、カバープレート４は、シャフト１を押し動かすことにより、所望の間隙幅Ｇの２倍に対応する規定された距離だけ押し戻される。距離２Ｇだけ押し動かすことは、シャフト１に作用する高度に正確なサーボ機構により達成される。

　その後、カバープレート４は、例えば、溶接若しくは接着により、予め定められた位置で、軸受筐体２と堅く結合される。一方で、スラストプレート３とストッパ６の間に、他方でスラストプレート３とカバープレート４との間に、間隙幅Ｇを有する規定された間隙が維持される。

　カバープレート４が押し動かされなければならない距離は、２倍の間隙幅２Ｇと一致する。ここで、カバープレート４が固定された位置からの凹部５の残りの高さをＡとすると、以下の式が成立する。
　［数２］
　Ｇ＝１／２（Ａ−ａ）

　以上説明したように、本発明の組立方法によれば、スラストプレートの厚さａ及び凹部５の残りの高さＡとは無関係に、間隙幅Ｇが決定され得る。そのため、上式において、スラストプレート及び凹部の製造公差は含まれない。従って、所望の間隙幅Ｇを得るために、スラストプレートの実際の寸法（厚さａ）及び誘導部がない凹部の残りの内法の高さＡは精度に余裕がある。

　また、上記の軸受システムの組立方法は、間隙幅Ｇが、僅かμｍレベルまで正確に再現されることを許容する。

　本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の思想を逸脱しない範囲で、その応用及び変形等は任意である。

　本発明の流体軸受システムは、好ましくは、ディスク記憶装置を駆動するためのスピンドルモータの回転軸受として使用されるが、任意のスピンドルモータの回転軸受に適用可能である。

本発明の実施形態にかかる軸受システムの模式的な断面図である。 従来技術による軸受システムの模式的な断面図である。

符号の説明

　１　　シャフト
　２　　軸受筐体
　３　　スラストプレート
　４　　カバープレート
　５　　凹部
　６　　ストッパ
　７　　ストッパ
　８　　孔

Claims (4)

1. 　軸受筐体（２）の孔（８）に回転可能に軸支されるシャフト（１）を有する少なくとも１つのラジアル軸受と、前記シャフトと堅く結合され前記軸受筐体（２）の凹部（５）に回転可能に受け入れられるスラストプレート（３）及び当該スラストプレートに対向して配置されるカバープレート（４）の形態の対向軸受を有する少なくとも１つの動圧軸受とを備え、好ましくはディスク記憶装置の磁気ディスクを駆動するためのスピンドルモータの回転軸受用の流体軸受システムであって、
   　前記スラストプレート（３）と前記カバープレート（４）とは、前記軸受筐体（２）の共通の前記凹部（５）に配置される、
   　ことを特徴とする流体軸受システム。
2. 　前記凹部（５）の直径は、前記孔（８）の直径より大きく、
   　ストッパ（６）が前記凹部（５）に形成され、
   　前記カバープレート（４）は、前記ストッパ（６）から、前記スラストプレート（３）の厚さａに当該スラストプレート（３）の上下の正面端に形成される所望の間隙幅Ｇの２倍の値２Ｇを加えた距離Ａ（Ａ＝ａ＋２Ｇ）に配置されて固定される、
   　ことを特徴とする請求項１に記載の流体軸受システム。
3. 　前記カバープレート（４）は、遷移嵌合により、前記凹部（５）に配置され、前記軸受筐体（２）と堅く結合されている、ことを特徴とする請求項１に記載の流体軸受システム。
4. 　軸受筐体（２）の孔（８）に回転可能に軸支されるシャフト（１）を有する少なくとも１つのラジアル軸受と、前記シャフトと堅く結合され前記軸受筐体（２）の凹部（５）に回転可能に受け入れられるスラストプレート（３）及び当該スラストプレートに対向して配置されるカバープレート（４）の形態の対向軸受を有する少なくとも１つの動圧軸受とを備える流体軸受の組立方法であって、
   　前記スラストプレート（３）が、前記孔（８）及び前記凹部（５）の異なる直径により前記軸受筐体（２）に形成されたストッパ（６）に載置されるように、前記シャフト（１）と該シャフトに堅く固定されたスラストプレート（３）とを前記軸受筐体（２）に挿入するステップと、
   　前記カバープレート（４）が、前記スラストプレート（３）の自由面側に載置されるように、当該カバープレートを前記凹部（５）に挿入するステップと、
   　前記シャフト（１）を押し動かして、前記スラストプレート（３）の両面に形成される所望の間隙幅Ｇの２倍の距離２Ｇに対応する規定された距離だけ前記カバープレート（４）を押し戻すステップと、
   　前記カバープレート（４）を、前記軸受筐体（２）の予め定められた位置に固定するステップと、
   　を備えることを特徴とする流体軸受の組立方法。

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