JP2005264983A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転トルクの増加を避けつつ、軸受剛性の低下を防止することができる動圧軸受装置を提供する。
【解決手段】 軸部材２の平滑面２ｄを、その軸方向長さ寸法Ｂが軸受スリーブ８の内周面に形成された動圧溝領域８ａの軸方向長さ寸法Ａよりも短くなるように外周面２ａと段差をもって区画して形成し、動圧溝８ｂ間の背８ｃの低い箇所を除いて動圧溝領域８ａと平滑面２ｄを対向させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、軸受すき間に生じる流体の動圧作用によって軸部材を非接触支持する動圧軸受装置に関するものである。この軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ等の磁気ディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク装置等のスピンドルモータ、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、その他の小型モータ用として好適である。

上記各種モータには、高回転精度の他、高速化、低コスト化、低騒音化等が求められている。これらの要求性能を決定づける構成要素の１つに当該モータのスピンドルを支持する軸受があり、近年では、上記要求性能に優れた特性を有する動圧軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。例えば、ＨＤＤ等のディスク駆動装置のスピンドルモータでは、軸部材をラジアル方向に支持するラジアル軸受部および軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部のそれぞれに動圧軸受を使用した動圧軸受装置が用いられる。この動圧軸受装置では、ラジアル軸受部を形成する軸受スリーブの内周面または軸部材の外周面に動圧発生手段としての動圧溝が設けられ、また、スラスト軸受部を形成する軸部材のフランジ部の両端面、あるいは、これに対向する面（軸受スリーブの端面やスラストプレートの端面等）に動圧溝が設けられている。

これらの動圧溝を形成する場合、特に軸受スリーブの内周に動圧溝を形成する場合には、動圧溝の加工方法が問題となる。この加工方法の一例として、動圧溝形状に対応した溝型を有する成形型を軸受スリーブ素材の内周に挿入した後、軸受スリーブ素材を、その軸方向を拘束した状態で半径方向に圧迫して、その内周面を成形型に押し付けて塑性変形させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１９０３４４号公報

ところが、このように動圧溝を型成形した場合、複数の動圧溝を配列した領域（動圧溝領域）のうち、溝型との非接触部に近い部分では素材に作用する圧縮力が逃げ易く、そのため溝型の凹部に素材の肉が充足され難くなる。従って、例えばラジアル軸受部の動圧溝領域では、図６（ｂ）に示すように、動圧溝１８ｂ間の背１８ｃの部分の母線形状が軸方向の両端で低くなる、いわゆる「ダレ」を生じる。この場合、図７に示すように、ラジアル軸受すき間の軸方向両端部のすき間幅Ｇ１が軸方向中央部のすき間幅Ｇ２に比べて大きくなる。従って、ラジアル軸受すき間のすき間幅が軸方向の全長で一定であると仮定して軸受設計を行うと、すき間幅が大きい部分で動圧効果が減じられるため、所期の動圧効果が得られず、軸受全体の軸受剛性が低下する。

このような軸受剛性の低下は、例えば動圧溝領域１８ａ、１８ａの軸方向長さを長く設定することで回復できるが、単に動圧溝領域１８ａ、１８ａの軸方向長さを長くするだけでは、狭隘なラジアル軸受すき間の軸方向長さが長大化し、この軸受すき間での流体抵抗が増すため、回転トルクの増加を招く。

同様の問題は、ラジアル軸受部だけでなく、スラスト軸受部の動圧溝でも生じ得る。スラスト軸受部の動圧溝は、例えば動圧溝形状に対応した溝型を用いてプレス成形されるが、その場合には、上記と同様に溝型との非接触領域に近い部分で塑性流動が不十分となるので、動圧溝領域の母線形状にダレが生じ、上記と同様の問題が生じる。

そこで、本発明は、回転トルクの増加を避けつつ、動圧溝領域の母線形状のダレに基づく軸受剛性の低下を防止することができる動圧軸受装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る動圧軸受装置は、複数の動圧溝を配列した動圧溝領域と、動圧溝領域と対向する平滑面と、動圧溝領域と平滑面との間に形成され、固定側と回転側の相対回転で流体動圧を生じる軸受すき間とを備える動圧軸受装置において、平滑面を、その長さが動圧溝領域の長さよりも短くなるように段差でもって区画して形成したことを特徴とする。なお、ここでいう「長さ」は、平滑面や動圧溝領域の法線方向が軸受のラジアル方向と一致する場合（ラジアル軸受部）には、その平滑面や動圧溝領域の軸方向の長さを意味し、上記法線方向が軸受のスラスト方向と一致する場合（スラスト軸受部）には、その平滑面や動圧溝領域の径方向の長さを意味する。

この構成によれば、平滑面の長さを動圧溝領域の長さよりも短くしているので、平滑面を、ダレの顕著な動圧溝領域の端部を除外してほぼ一定の溝深さを有する動圧溝領域の中央部と対向させることができる。従って、ラジアル軸受すき間をほぼ一定幅にでき、この一定幅の軸受すき間で規定の動圧効果が得られるよう動圧溝領域全体の長さを設計することにより、軸受剛性の低下を回避することができる。この場合、従来よりも動圧溝領域全体の長さは増大するが、平滑面が段差をもって区画形成されているので、動圧溝領域の端部に形成されたダレ部を平滑面以外の部分と対向させ、この部分のすき間幅を上記一定幅の軸受すき間よりも大きくすることができる。従って、流体抵抗によるトルクの増大を最小限に抑えることができる。

なお、平滑面と動圧溝領域の軸方向長さの大小関係に着目したものとして、特開２００２−７０８４２号公報に記載された発明があるが、この発明では、平滑面の長さを動圧溝領域の長さよりも長くしており、長さの大小関係が本願と逆の態様になっている。

本願発明は、動圧軸受で構成したラジアル軸受部に適用することができる。ラジアル軸受部を有する動圧軸受装置は、既述の動圧溝領域、平滑面、および軸受すき間に加え、軸受スリーブと軸部材とを備える。前記軸受すき間としてのラジアル軸受すき間は、軸受スリーブの内周面と軸部材の外周面との間に形成され、このラジアル軸受すき間に形成された流体動圧により軸部材がラジアル方向に非接触支持される。この場合、例えば動圧溝領域は軸受スリーブの内周に、平滑面は軸部材の外周に形成することができる。

本願発明は、動圧軸受で構成したスラスト軸受部を有する動圧軸受装置にも適用することができる。この動圧軸受装置は、軸部材に外径側に張り出したフランジ部を設けたもので、軸受すき間は、前記ラジアル軸受すき間の他、フランジ部の端面と当該端面に対向する面との間にも形成される（スラスト軸受すき間）。このスラスト軸受すき間に形成された流体動圧により軸部材がスラスト方向に非接触支持される。この場合、動圧溝領域は、軸部材のフランジ部の端面、あるいは、これに対向する面のうち何れか一方に形成され、平滑面は他方に形成される。

上記動圧溝領域は、望ましくはその形状に対応した型を押し付けて塑性加工することにより、所定形状（ヘリングボーン形状、スパイラル形状等）に成形される。型を押し付けるのであるから、転造による動圧溝成形は除外され、塑性加工するのであるから、素材の塑性変形を伴わない例えば樹脂の射出成形による動圧溝成形も除外される。

以上に述べた動圧軸受装置でモータを構成することにより、高回転精度で低トルクのモータを提供することが可能となる。

以上のように、本発明に係る動圧軸受装置によれば、回転トルクの増加を避けつつ、動圧溝領域の母線形状のダレに基づく軸受剛性の低下を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本願発明の一実施形態に係る動圧軸受装置を組込んだ情報機器用スピンドルモータの全体構成を概念的に示している。この情報機器用スピンドルモータは、ＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材２を回転自在に非接触支持する動圧軸受装置１と、軸部材２に装着されたディスクハブ３と、半径方向のギャップを介して対向させたモータステータ４およびモータロータ５とを備えている。モータステータ４はケーシング６の外周に取り付けられ、モータロータ５はディスクハブ３の内周に取り付けられる。動圧軸受装置１のハウジング７は、ケーシング６の内周に装着される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスクＤが一枚又は複数枚保持される。モータステータ４に通電すると、モータステータ４とモータロータ５との間の励磁力でモータロータ５が回転し、それによってディスクハブ３および軸部材２が一体となって回転する。

図２は、動圧軸受装置１を示している。この動圧軸受装置１は、一端に開口部７ａ、他端にスラストプレート７ｃを有する有底円筒状のハウジング７と、ハウジング７の内周に固定される円筒状の軸受スリーブ８と、軸受スリーブ８の内周に挿入される軸部材２と、ハウジング７の開口部７ａに固定されるシール部材９とを主要な部材として構成される。なお、説明の便宜上、ハウジング７の開口部７ａの側を上方向、ハウジング７のスラストプレート７ｃの側を下方向として以下説明を行う。

ハウジング７は、例えば真ちゅう等の軟質金属材で形成され、円筒状の側部７ｂとハウジング７の底部となる円板蓋状のスラストプレート７ｃとを別体構造として備えている。スラストプレート７ｃの内底面には、動圧溝７ｃ２（図５参照）を複数配列したスパイラル形状等の動圧溝領域７ｃ１がプレス加工で成形されている。また、ハウジング７の側部７ｂの内周面７ｄの下端には、他所よりも大径に形成した大径部７ｅが形成され、この大径部７ｅにスラストプレート７ｃが例えば加締め、接着等の手段で固定されている。

軸受スリーブ８は、例えば焼結金属からなる多孔質体、特に銅を主成分とする焼結金属の多孔質体で円筒状に形成されている。軸受スリーブ８の内周には、例えば図３（ａ）に示すように、動圧溝８ｂ、８ｂをそれぞれ複数配列したへリングボーン形状の動圧溝領域８ａ、８ａが軸方向に離隔して２箇所形成されている。軸受スリーブ８の下側端面８ｅには、動圧溝８ｅ２（図５参照）を複数配列したスパイラル形状等の動圧溝領域８ｅ１が形成されている。

軸受スリーブ内周の動圧溝領域８ａおよび下側端面８ｅの動圧溝領域８ｅ１は何れも型成形される。このうち、軸受スリーブ８の内周面に形成される動圧溝領域８ａは、各領域８ａの動圧溝形状に対応した溝型を有するコアロッドを軸受スリーブ素材の内周に挿入した後、軸受スリーブ素材を、その軸方向を拘束した状態で半径方向に圧迫して、その内周面をコアロッドに押し付け、内周面の塑性変形により溝型形状を転写することにより成形される。かかる塑性加工後のコアロッドの脱型は、圧迫力の解除に伴う軸受スリーブ素材のスプリングバックにより、互いに干渉させることなくスムーズに行うことができる。軸受スリーブ８の下側端面８ｅに形成される動圧溝領域８ｅ１は、軸受スリーブ素材を軸方向から拘束する治具（パンチ等）の端面にその動圧溝形状に対応した溝型を形成することにより、内周面の動圧溝領域８ａと同時に成形することができる。

軸部材２は、例えばステンレス鋼等の金属材料で形成されており、軸部２ｃと、軸部２ｃの下端に一体または別体に設けられたフランジ部２ｂとを備えている。図４に拡大して示すように、軸部２ｃは段付の軸状で、軸部２ｃの外周面２ａのうち、軸受組立後に軸受スリーブ内周の二つの動圧溝領域８ａと対向する領域には、他所よりも大径でかつ凹凸のない円筒状の平滑面２ｄがそれぞれ形成されている。これら平滑面２ｄ、２ｄの軸方向両側は、平滑面２ｄ、２ｄを除く外周面２ａと段差Ｈをもって区画されている。両平滑面２ｄの軸方向の長さ寸法Ｂは、何れも対応する動圧溝領域８ａの軸方向の長さ寸法Ａ（図３参照）よりも小さく、両平滑面２ｄの何れもその全領域が動圧溝領域８ａと対向している。

なお、図４では、理解を容易にするため、段差Ｈの大きさを誇張して描いているが、実際には段差Ｈは１０μｍ以上が適当である。段差Ｈが１０μｍよりも小さいと後述するトルクの低減効果が不十分となることが考えられる。動圧溝の溝深さも実際は、１〜２０μｍ程度であるが、図面ではこれを誇張して描いている。

シール部材９は環状を成すものであり、図２に示すように、ハウジング７の開口部７ａの内周面に圧入、接着等の手段で固定される。この実施形態において、シール部材９の内周面は円筒状に形成され、シール部材９の下側端面９ａは軸受スリーブ８の上側端面８ｆと当接している。

この動圧軸受装置１の組立後は、軸部材２の軸部２ｃが軸受スリーブ８の内周に挿入され、フランジ部２ｂが軸受スリーブ８の下側端面８ｅとハウジング７のスラストプレート７ｃ内底面との間の空間部に収容される。このとき、シール部材９の内周面に対向する軸部２ｃのテーパ状外周面との間には、ハウジング７の外部方向（同図で上方向）に向かって漸次拡大するテーパ形状のシール空間Ｓが形成される。シール部材９で密封されたハウジング７の内部空間は、軸受スリーブ８の内部空孔を含め、潤滑油で充満され、その潤滑油の油面はシール空間Ｓ内に維持される。

この状態で軸部材２を軸受スリーブ８に対して回転させると、軸部材２の平滑面２ｄとこれに対向する動圧溝領域８ａとの間のラジアル軸受すき間にそれぞれ潤滑油の動圧が発生し、軸部材２をラジアル方向で非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して形成される。同時に、軸受スリーブ８の下側端面８ｅと軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間、およびスラストプレート７ｃの内底面とフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２との間の各スラスト軸受すき間にそれぞれ潤滑油の動圧が発生し、軸部材２をスラスト方向で非接触支持する第１スラスト軸受部Ｓ１および第２スラスト軸受部Ｓ２が形成される。

ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の動圧溝領域８ａでは、これを型成形した関係で、図３および図４に示すように、その軸方向の母線形状において、軸方向両端の動圧溝８ｂ間の背の部分８ｃにダレを生じるが、本発明では、平滑面２ｄの軸方向長さ寸法Ｂを動圧溝領域８ａの軸方向長さ寸法Ａよりも短くしているので、平滑面２ｄとの対向領域から動圧溝領域８ａ両端のダレ部を排除し、平滑面２ｄをほぼ一定の溝深さを有する動圧溝領域８ａの中央部と対向させることができる。従って、ラジアル軸受すき間をほぼ一定幅にでき、この一定幅の軸受すき間で規定の動圧効果が得られるよう動圧溝領域８ａの軸方向長さを設定することにより、軸受剛性の低下を回避することができる。これは、従来の軸受設計よりも動圧溝領域の軸方向長さを増大させることを意味するが、その場合でも動圧効果への関与の乏しいダレ部を平滑面２ｄとの対向領域から排除して平滑面２ｄよりも小径の軸部外周面２ａと対向させ、段差Ｈにより、この部分のすき間幅を一定幅の軸受すき間よりも大きくしているので、流体抵抗によるトルクの増大を最小限に抑えることができる。従って、軸受剛性の向上とトルクの低減という二律背反の目的を両立することが可能となる。

なお、動圧溝領域８ａと平滑面２ｄの軸方向長さの差は、動圧溝領域８ａに生じるダレ部の長さに応じて定められる。現状では、動圧溝領域８ａの軸方向両端から概ね０．２ｍｍの範囲にダレが生じているので、上記軸方向長さの差は０．２ｍｍの２倍以上、すなわち０．４ｍｍ以上に設定するのが望ましい。

以上の説明では、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の動圧溝領域８ａを例示したが、同様の構成はスラスト軸受部Ｓ１、Ｓ２の動圧溝領域８ｅ１、７ｃ１にも適用できる。これらの動圧溝領域８ｅ１、７ｃ１も、上述のように動圧溝形状に対応した溝型を押し付けることにより素材を塑性変形させて形成されるため、図５に模式化して示すように、動圧溝領域８ｅ１、７ｃ１の径方向両端ではダレを生じるが、これら動圧溝領域８ｅ１、７ｃ１に対向するフランジ部の両端面２ｂ１、２ｂ２に段差をもって平滑面２ｂ３、２ｂ４を区画形成し、かつこの平滑面２ｂ３、２ｂ４の半径方向長さを対向する動圧溝領域８ｅ１、７ｃ１の半径方向長さよりも短くすることにより、スラスト軸受部Ｓ１、Ｓ２での軸受剛性の向上とトルクの低減とを両立することが可能となる。なお、図５でも図４と同様に、動圧溝８ｅ２、７ｃ２の溝深さをそれぞれ誇張して描いている。

また、この実施形態では、軸受スリーブ８の下側端面８ｅに動圧溝領域８ｅ１を、軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１に第１平滑面２ｂ３をそれぞれ形成したものを例示したが、これとは逆に軸受スリーブ８の下側端面８ｅに平滑面を、フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１に動圧溝領域を形成することも可能である。ハウジング７のスラストプレート７ｃ内底面に形成された動圧溝領域７ｃ１、および軸部材２のフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２に形成された第２平滑面２ｂ４についても、同様に、互いに対向する面と入れ替えて形成することができる。

本願発明の一実施形態に係る動圧軸受装置を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの断面図である。 本願発明の一実施形態に係る動圧軸受装置の断面図である。 （ａ）は軸受スリーブの断面図、（ｂ）は軸受スリーブ内周の動圧溝領域の軸方向の母線形状を拡大して示す図である。 ラジアル軸受すき間を形成する動圧溝領域と平滑面との径方向における位置関係を示す模式図である。 スラスト軸受すき間を形成する動圧溝領域と平滑面との軸方向における位置関係を示す模式図である。 （ａ）は従来の軸受スリーブの断面図、（ｂ）はその内周の動圧溝領域の軸方向の母線形状を拡大して示す図である。 ラジアル軸受すき間を形成する動圧溝領域と平滑面との径方向における従来の位置関係を示す模式図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 外周面
２ｂ フランジ部
２ｂ３ 平滑面
２ｂ４ 平滑面
２ｃ 軸部
２ｄ 平滑面
３ ディスクハブ
４ モータステータ
５ モータロータ
６ ケーシング
７ ハウジング
７ｃ 底部
７ｃ１ 動圧溝領域
７ｃ２ 動圧溝
７ｄ 内周面
７ｅ 大径部
８ 軸受スリーブ
８ａ 動圧溝領域
８ｂ 動圧溝
８ｃ 背
８ｅ 下側端面
８ｅ１ 動圧溝領域
８ｅ２ 動圧溝
９ シール部材
Ａ 軸方向の長さ寸法（動圧溝領域）
Ｂ 軸方向の長さ寸法（平滑面）
Ｒ１ ラジアル軸受部
Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｓ１ スラスト軸受部
Ｓ２ スラスト軸受部

Claims (5)

1. 複数の動圧溝を配列した動圧溝領域と、動圧溝領域と対向する平滑面と、動圧溝領域と平滑面との間に形成され、固定側と回転側の相対回転で流体動圧を生じる軸受すき間とを備える動圧軸受装置において、
   平滑面を、その長さが動圧溝領域の長さよりも短くなるように段差でもって区画して形成したことを特徴とする動圧軸受装置。
2. さらに軸受スリーブと、軸部材とを備え、前記軸受すき間を、軸受スリーブの内周面と軸部材の外周面との間に形成した請求項１記載の動圧軸受装置。
3. 軸部材に、外径側に張り出したフランジ部を設け、前記軸受すき間をさらにフランジ部の端面と当該端面に対向する面との間に形成した請求項２記載の動圧軸受装置。
4. 動圧溝領域が、その形状に対応した型を押し付けて塑性加工されたものである請求項１記載の動圧軸受装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載した動圧軸受装置を有するモータ。