JP2005257069A - 流体動圧軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】 スラストプレートの軸方向の位置決めの問題点がスラストプレートの貫通孔を利用することなく回避される、流体動圧軸受システムを提供する。
【解決手段】 本発明の流体動圧軸受システムは、シャフト４と、シャフト４と連結されたスラストプレート１０と、潤滑剤１６により充填された軸受間隙７，７’を形成しながらシャフト４及びスラストプレート１０を僅かな間隔をおいて囲繞する、カバープレート１１により片側を封止された軸受スリーブ３とを備え、シャフト４及び軸受スリーブ３、並びに、スラストプレート１０及びカバープレート１１の相互に作用接続している軸受表面の少なくとも一方が表面構造を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に基づく、特にハードディスク駆動装置のスピンドルモータ用の流体動圧軸受システムに関する。

例えば記憶ディスクを駆動するためにハードディスク駆動装置において使用されるスピンドルモータの回転軸受としては、以前から用いられている転がり軸受の他、流体動圧軸受の利用が増加している。

流体動圧軸受とは、円筒状の軸受内面を有する軸受スリーブと、そのスリーブに挿入され、円筒状の軸受外面を有するシャフトとにより構成される、新開発された滑り軸受である。シャフトの直径は、スリーブの内径よりも僅かに小さく、それにより両方の軸受面の間に同心的な軸受間隙が生じており、その軸受間隙は、連続する毛細管膜を形成しながら潤滑剤により充填され、特にオイルにより充填される。

軸受スリーブとシャフトとは共にラジアル軸受領域を構成している。両方の軸受表面の少なくとも一方には、溝パターンの形態の表面構造が刻設されており、その溝パターンは、回転による相対運動の結果、軸受間隙の潤滑剤に対して局所的な加速力を及ぼす。そのようにして一種のポンプ作用が発生し、そのポンプ作用は、軸受間隙による圧力の下で潤滑剤を圧縮すると共に、流体力学的圧力領域によって安定化される厚さが均一な潤滑剤膜の形成に繋がる。連続する毛細管潤滑剤膜、及び、流体動圧ラジアル軸受の自動調心メカニズムは、シャフトとブッシュとの間の安定した同心的な回転に寄与する。

回転軸に沿った軸受の安定化は、相応に構成された流体動圧アキシアル軸受又はスラスト軸受によって行われる。スラスト軸受は、特に、軸受スリーブとカバープレートとによって形成される切欠に収容され、シャフトの一方の端部に配置されたスラストプレートの両方の端面によって形成される。スラストプレートの第１の端面には、軸受スリーブの対応する端面が組み合わせられ、他方の端面には、カバープレートの内側に位置する端面が組み合わせられている。カバープレートは、スラストプレートに対する反駆動側軸受としての役割を果たすと共に、軸受システム全体を下方に向かって封止する。カバープレートは、潤滑剤が充填された軸受間隙に空気が混入したり、潤滑剤が軸受間隙から外へ漏出することを防止する。

この流体動圧アキシアル軸受においても、スラストプレート又はシャフトの安定した軸方向の位置決めのために必要な流体力学的圧力を生成し、アキシアル軸受領域の内部における潤滑剤の循環を保証するために、相互に作用接続するそれぞれの軸受表面が表面構造を備えている。

軸受の互いに対向する端部には、例えば軸受スリーブの端面とカバープレートとの間に、軸受間隙と連通する、潤滑剤リザーバとしても潤滑剤の膨張容積部としても機能する自由空間が形成されているとよい。その自由空間は、軸受を封止する機能も担っている。自由空間にあるオイルは、毛細管力の作用の下で安定した連続する液体膜を形成しており、それ故に、この種の封止は毛細管シール（capillary seal）とも称される。

前述したラジアル軸受領域の溝パターンを相応に設計することによって、シャフトの回転時に、軸受間隙の潤滑剤に対してポンプ作用を及ぼすことができる。アキシアル軸受領域に接する方のラジアル軸受領域では、シャフトの自由端に配置されたラジアル軸受領域におけるよりも高い流体力学的圧力が生成される。相応のフィードバック通路が設けられていれば、軸受間隙内部の潤滑剤が軸受の閉じた端部の方向に向かって移動する持続的な流れが生じる。その際に軸受の軸方向において生成される圧力は、当然ながらアキシアル軸受領域でも発生し、その結果、スラストプレートは、それを囲繞する切欠の内部において期待通りに中心で回転するのではなく、スラストプレートと軸受スリーブとの間の軸方向の軸受間隙の方が、スラストプレートとカバープレートとの間の軸受間隙よりもはるかに狭くなる。

両方の軸方向におけるスラストプレートの投影面は同じ大きさなので、スラストプレートに対して作用する力は向きが逆で大きさが等しく、互いに相殺される。ところが、スラストプレートとカバープレートとの間の軸受間隙における流体圧力にシャフトの自由端面が晒されることによりシステムに作用する追加の力によって、このような力の均衡が乱される。こうした追加の力は、シャフト及びシャフトと堅固に連結されたスラストプレートを、カバープレートから離隔して軸受ブッシュの方へ向かう方向へと変位させる。その際に、スラストプレートの端面と軸受ブッシュの端面との間の軸方向間隔は狭くなり、逆に、スラストプレートの端面とカバープレートの端面との間の軸方向間隔は広くなる。ところが、軸受間隙の厚さが小さくなればなるほど流体力学的圧力は大きくなるので、スラストプレートと軸受ブッシュとの間の軸受間隙における流体力学的圧力は上昇し、スラストプレートとカバープレートとの間の流体力学的圧力は低下する。このように、スラストプレートの両側における流体力学的圧力によって引き起こされる力の合力は、上述した力とは向きが逆であり、スラストプレートと軸受ブッシュとの間のアキシアル軸受間隙が狭くなるほど大きくなる。スラストプレートの安定した軸方向位置が得られるのは、両方の合力が反対方向を向いていて大きさが等しい場合である。

軸受の構造や負荷によっては、アキシアル軸受の異なる作用面によって惹起される流体力学的圧力の不均衡の結果として、スラストプレートの端面と軸受スリーブの端面との間の軸受間隙が狭くなり過ぎて、軸受間隙の減少を上回る比率で増加していく摩擦損失が、潤滑剤の局所的な温度上昇に繋がるという可能性がある。こうした熱に起因する粘性の低下によってアキシアル軸受の支持能力も低下し、そのために、もともと非常に狭い軸受間隙がさらに狭まってしまう。その際、スラストプレートの端面が軸受スリーブに危険な程度まで接近し、両者が接触する可能性さえあり、このことは耐用寿命の低下に繋がるばかりか、軸受の破損を招く虞さえある。前述したようなマイナスの効果を伴う潤滑剤の局所的な過熱を防止するために、軸受間隙の個々の領域の間での継続的な潤滑剤交換を保証する連絡孔を、それぞれの軸受間隙の間に設けることが知られている。そのためには、軸受スリーブ及びスラストプレートの両方に貫通孔を穿設しなくてはならず、このことは著しい作業コストを生じさせる。孔が正確に左右対称に配置されていないと、回転部品のアンバランスに繋がりかねない。

従って、本発明の課題は、上に挙げたスラストプレートの軸方向の位置決めの問題点がスラストプレートの貫通孔を利用することなく回避される、流体動圧軸受システムを提供することにある。

この課題は、請求項１の構成要件を備えている流体動圧軸受システムによって解決される。

本発明の有利な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、シャフトと、シャフトと連結されたスラストプレートと、潤滑剤により充填された軸受間隙を形成しながらシャフト及びスラストプレートを僅かな間隔をおいて囲繞する、カバープレートによって片側を封止された軸受スリーブとを備え、シャフト、軸受スリーブ、スラストプレート又はカバープレートの相互に作用接続されている軸受表面のそれぞれ一方が表面構造を備えている、特にスピンドルモータ用の流体動圧軸受システムを意図している。

本発明は、スラストプレートと軸受スリーブとの間に形成されている軸受表面の一方が環状の魚骨形（環状に並列した複数のＶ字形）の表面構造を備えており、スラストプレートとカバープレートとの間に形成されている軸受表面の一方が螺旋溝状の表面構造を備えていることを特徴としている。

このように異なる表面構造によって、スラストプレートの相互に対向する側において、それぞれ異なる圧力が生成される。軸受スリーブとスラストプレートの上面との間で作用する環状の魚骨形（環状に並列した複数のＶ字形）構造は、カバープレートとスラストプレートの下面との間で作用する螺旋溝構造よりも高い圧力を生成する。従って、面積的に狭い、流体力学的に作用するスラストプレートの上面は、シャフトの端面の分だけ広い、流体力学的に作用するスラストプレートの下面よりも大きな力に晒される。即ち、スラストプレートの領域において作用する表面構造が異なる軸方向力を生成し、その結果、スラストプレートの端面と軸受ブッシュの端面との間の軸方向間隔が、スラストプレートの端面とカバープレートの端面との間の軸方向間隔とほぼ同じ大きさのときに、力のバランスが成立する。それにより、軸受スリーブとカバープレートとによって形成される中空スペースのほぼ中央部での、スラストプレートの安定した軸方向位置が実現される。

それにより、定置のアキシアル軸受部品と回転するアキシアル軸受部品との間の接触によって軸受が損傷する確率が低減される。その上、両方の軸方向に軸受を同じ強さで付勢することが可能でありながらも、剛性の特性曲線は相互に異なっていてよい。

本発明は、特に、軸受の端面の領域に軸受流体のための補償容積部が設けられている流体動圧軸受システムを対象とするものであり、その補償容積部は、特に、軸受間隙と直接的又は間接的に連通する、断面がほぼ円錐形の中空室として構成される。

さらに、本発明の枠内では、連絡通路によって、補償容積部と軸受間隙の各領域との間において潤滑剤を案内する連絡部が形成されることが意図され得る。この連絡通路は、特に、軸受スリーブの内部に延在し得る。

本発明のその他の構成要件、利点及び利用可能性は、以下に説明する図面から明らかである。

次に、図面を参照しながら、有利な実施の形態を用いて本発明を詳細に説明する。

各図面は、ハードディスク駆動装置の記憶ディスクを駆動するための、流体動圧軸受システムを備えているスピンドルモータを示している。図示した実施の形態においては、シャフトは定置の軸受スリーブに回転可能に軸支されている。当然ながら、本発明は、定置のシャフトが回転可能な軸受スリーブにより囲繞される設計も包含している。

図１に示すスピンドルモータは、定置のベースプレート１を備えており、ステータ鉄心と巻線とを含むステータ機構２がこのベースプレート１に配置されている。

軸受スリーブ３がベースプレート１の切欠に定置に収容されており、シャフト４が回転可能に収容された軸方向の円筒状の穴を有している。シャフト４の一方の（下側の）端部はスラストプレート１０と連結されているのに対して、シャフトの他方の自由端はロータ５を支持しており、その上にハードディスク駆動装置の一つ又は複数の記憶ディスク（図示せず）が配置され又は固定される。ロータ５の内側下方の縁部には複数組の極を有するリング状の永久磁石６が配置されており、それらの極が、動作エアギャップを介して間隔をおいているステータ機構２によって交流電界の作用を受け、それによってロータ５がシャフト４と共に回転する。

軸受スリーブ３の内径と、それよりも僅かに小さいシャフト４の外径との間には、軸受間隙７を有するラジアル軸受領域が設けられており、この軸受間隙７は、潤滑剤、特に液体の軸受流体により充填されている。このラジアル軸受領域は、図示した実施の形態においては、軸受スリーブ３の表面に設けられた溝パターン８，９の形態の表面構造を備えていることを特徴としている。シャフト４が回転すると直ちに、溝パターン８，９に基づいて、軸受間隙７又はその中にある潤滑剤に流体力学的圧力が生成され、それによって軸受が支持能力を有するようになる。

スラストプレート１０は、カバープレート１１と共に流体動圧スラスト軸受を形成している。このスラスト軸受は、軸受機構の軸受スリーブ３に対してシャフト４を軸方向に位置決めし、軸方向の力を受け止める。このアキシアル軸受領域はカバープレート１１により気密に封止されているので、軸受スリーブ３とスラストプレート１０とカバープレート１１との間の軸受間隙７’として後続する軸受間隙７から潤滑剤が外に漏出することはできない。

十分な流体力学的圧力がアキシアル軸受において生成されるようにするために、軸受スリーブ３、スラストプレート１０又はカバープレート１１の相互に向き合う表面にも、同じく表面構造１２，１３が設けられている。

これらの表面構造が図２及び図３に詳細に図示されている。本発明によれば、スラストプレート１０の方を向いている軸受スリーブ３の表面は、環状の魚骨形（環状に並列した複数のＶ字形）の表面構造１３を有しており、それに対して、スラストプレート１０の方を向いているカバープレート１１の表面は、螺旋状の表面構造１２を有している。このように異なる表面構造によって、スラストプレート１０と軸受スリーブ３との間の軸方向間隔と、スラストプレート１０とカバープレート１１との間の軸方向間隔とがほぼ等しい大きさになるように、スラストプレート１０に対して作用する力分布が生じる。

当然ながら、前述した表面構造１２，１３の一方又は両方がスラストプレート１０の表面に設けられていてもよく、これも本発明の範疇に含まれる。

軸受スリーブ３は、シャフト４の自由端の部位において、軸受スリーブ３を被覆する特にカップ状のカバーキャップ１４により封止されている。軸受スリーブ３のカバーキャップ１４により被覆された端面は、軸受スリーブ３のシャフトに近い領域を起点として半径方向外側に向かってほぼ軸受スリーブ３の外周にまで延びる斜面又は沈降部を備えている。それにより、軸受スリーブ３の端面とカバーキャップ１４の内面との間には、断面が外方に向かってテーパ状に広がる自由空間が形成されており、この自由空間は、軸受流体のための補償容積部１５としての役割を果たし、少なくとも部分的に潤滑剤１６により充填されている。補償容積部１５の半径方向内側に位置する領域は、軸受間隙７と接している。

特に、軸受スリーブ３の内部に延在する連絡通路１８が、補償容積部１５を軸受間隙の下側領域７’と連通させている。

この連絡通路１８は、補償容積部１５と軸受間隙の下側領域７’との間での潤滑剤１６の交換を可能にし、それにより、ラジアル軸受の領域においても潤滑剤１６の継続的な循環が保証される。

以上の説明、特許請求の範囲及び図面に開示されている構成要件は、単独でも任意の組み合せの形態でも、本発明を様々な実施の形態に具現化するために有意義であり得る。

本発明に係る流体動圧軸受システムを備えているスピンドルモータを示す模式的な縦断面図である。 スラスト軸受のカバープレートを示す平面図である。 軸受スリーブを示す下面図である。

符号の説明

１ ベースプレート
２ ステータ機構
３ 軸受スリーブ
４ シャフト
５ ロータ
６ 永久磁石
７，７’ 軸受間隙
８ 表面構造（溝パターン）
９ 表面構造（溝パターン）
１０ スラストプレート
１１ カバープレート
１２ 表面構造（溝パターン）
１３ 表面構造（溝パターン）
１４ カバーキャップ
１５ 補償容積部
１６ 潤滑剤
１７ 環状溝
１８ 連絡通路
１９ 回転軸

Claims (6)

1. シャフト（４）と、前記シャフトと連結されたスラストプレート（１０）と、潤滑剤（１６）により充填された軸受間隙（７，７’）を形成しながら前記シャフト及び前記スラストプレートを僅かな間隔をおいて囲繞する、カバープレート（１１）により片側を封止された軸受スリーブ（３）とを備え、前記シャフト及び前記軸受スリーブ、並びに、前記スラストプレート及び前記カバープレートの相互に作用接続している軸受表面の少なくとも一方が表面構造を備えている、特にスピンドルモータ用の流体動圧軸受システムにおいて、
   前記スラストプレート（１０）と前記軸受スリーブ（３）との間に形成される軸受表面の一方の表面構造（１３）と、前記スラストプレート（１０）と前記カバープレート（１１）との間に形成される軸受表面の一方の表面構造（１２）とが異なっていることを特徴とする流体動圧軸受システム。
2. 前記表面構造（１３）は、環状の魚骨形の表面構造であり、前記表面構造は、螺旋溝状の表面構造（１２）であることを特徴とする請求項１に記載の流体動圧軸受システム。
3. 軸受システムの少なくとも一方の端面の領域に潤滑剤（１６）のための補償容積部（１５）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体動圧軸受システム。
4. 前記補償容積部（１５）は、前記軸受間隙（７）と間接的又は直接的に連通するほぼ円錐状の中空スペースとして構成されていることを特徴とする請求項３に記載の流体動圧軸受システム。
5. 前記補償容積部（１５）は、少なくとも一つの連絡通路（１８）を介して前記軸受間隙（７’）と連通していることを特徴とする請求項３又は４に記載の流体動圧軸受システム。
6. 前記連絡通路（１８）は、軸受システムの回転軸（１９）に対して０度乃至９０度の角度で延在しており、特にほぼ平行に延在していることを特徴とする請求項５に記載の流体動圧軸受システム。

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