JP2005299777A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール空間の軸方向寸法を小さくすることを可能にする。
【解決手段】 シール部材９は、軸部２ａの外周面２ａ１の所定位置に固定される。シール部材９の外周面９ａは、ハウジング７の上端部内周面７ａ１との間に所定の容積をもったシール空間Ｓを形成する。ハウジング７の内部に充満された潤滑油の油面は、常にシール空間Ｓ内に維持される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸受隙間に生じる潤滑油の動圧作用によって回転部材を非接触支持する動圧軸受装置に関する。この軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ、ＦＤＤ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など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、あるいは電気機器、例えば軸流ファンなど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、低騒音化などが求められている。これらの要求性能を決定づける構成要素の一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、この種の軸受として、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に組込まれる動圧軸受装置では、軸部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部と、軸部材をスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受部とが設けられ、ラジアル軸受部として、軸受スリーブの内周面又は軸部材の外周面に動圧発生用の溝（動圧溝）を設けた動圧軸受が用いられる。スラスト軸受部としては、例えば、軸部材のフランジ部の両端面、又は、これに対向する面（軸受スリーブの端面や、ハウジングに固定されるスラスト部材の端面等）に動圧溝を設けた動圧軸受が用いられる（例えば、特許文献１〜２参照）。あるいは、スラスト軸受部として、軸部材の一端面をスラストプレートによって接触支持する構造の軸受（いわゆるピボット軸受）が用いられる場合もある（例えば、特許文献２の図４参照）。

通常、軸受スリーブはハウジングの内周の所定位置に固定され、また、ハウジングの内部空間に注油した潤滑油が外部に漏れるのを防止するために、ハウジングの開口部にシール部材を配設する場合が多い。シール部材の内周面は、軸部材の外周面との間にシール空間を形成し、このシール空間の容積は、ハウジングの内部空間に充満された潤滑油が使用温度範囲内での熱膨張・収縮によって容積変化する量よりも大きくなるように設定される。従って、温度変化に伴う潤滑油の容積変化があった場合でも、潤滑油の油面は常にシール空間内に維持される（特許文献１参照）。
特開２００３―６５３２４号公報 特開２００３−３３６６３６号公報

上述のように、従来の動圧軸受装置では、ハウジングの開口部に固定したシール部材の内周面と軸部材の外周面との間にシール空間を形成しているが、このシール空間に、温度変化に伴う潤滑油の容積変化量を吸収する機能を持たせようとすると、シール空間（シール部材）の軸方向寸法を比較的大きく確保する必要がある。そのために、設計上、ハウジングの内部において、軸受スリーブの軸方向中心位置を相対的にハウジングの底部側に下げる必要があり、これにより、ラジアル軸受部の軸受中心と回転体重心との離間距離が大きくなり、使用条件等によっては、モーメント荷重に対する負荷能力が不足する場合が起こり得る。

本発明の課題は、この種の動圧軸受装置において、上記のシール空間の軸方向寸法を小さくすることを可能にし、これにより、動圧軸受装置のモーメント荷重に対する負荷能力を高め、あるいは、動圧軸受装置の軸方向寸法をコンパクトにすることである。

上記課題を解決するため、本発明は、ハウジングと、ハウジングの内部に固定された軸受スリーブと、ハウジング及び軸受スリーブに対して相対回転する軸部材と、ハウジングの一端部の側に位置するシール部材と、軸受スリーブと軸部材との間のラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の動圧作用で軸部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部とを備えた動圧軸受装置において、シール部材は軸部材に設けられており、シール部材の外周面とハウジングの一端部の内周面との間にシール空間を有する構成を提供する。

上記構成によれば、軸部に設けられたシール部材の外周面とハウジングの一端部の内周面との間にシール空間を設けているので、ハウジングの内部空間に充満された潤滑油の温度変化に伴う容積変化量を吸収しうる容積をシール空間において確保するにあたり、シール空間（シール部材）の軸方向寸法を従来よりも小さくすることが可能となる。そのため、ハウジングの内部において、軸受スリーブの軸方向中心位置を従来よりも相対的にハウジングの一端部側に近づけて設定することができ（軸受スリーブを従来よりもハウジングの一端部の側に近づけて配置する、あるいは、軸受スリーブの軸方向寸法を従来よりも大きくする。）、これにより、ラジアル軸受部の軸受中心と回転体重心との離間距離を小さくして、モーメント荷重に対する負荷能力を高めることができる。また、軸受スリーブを従来よりもハウジングの一端部側に近づけて配置する場合、動圧軸受装置の軸方向寸法を従来よりも小さくすることが可能である。

シール空間の幅（半径方向寸法）は軸方向に均一であっても良いが、シール性を高める観点から、シール空間はハウジング内部方向に向かって漸次縮小したテーパ形状を有していることが好ましい。すなわち、シール空間が上記のテーパ形状を有していると、シール空間内の潤滑油はシール空間が狭くなる方向（ハウジングの内部方向）に向けて毛細管力によって引き込まれる。そのため、ハウジング内部から外部への潤滑油の漏れ出しが効果的に防止される。このような構成を実現する手段として、シール部材の外周面に、ハウジングの外部方向に向かって漸次縮径したテーパ面を形成する手段、ハウジングの一端部の内周面に、ハウジングの外部方向に向かって漸次拡径したテーパ面を形成する手段がある。特に、前者の手段によれば、シール部材が軸部材と伴に回転することにより、上記の毛細管力によるよる引き込み作用に加え、回転時の遠心力による引き込み作用も得られるので（いわゆる遠心力シール）、ハウジング内部から外部への潤滑油の漏れ出しがより一層効果的に防止される。

本発明によれば、動圧軸受装置のモーメント荷重に対する負荷能力を高め、あるいは、動圧軸受装置の軸方向寸法をコンパクトにすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、この実施形態に係る動圧軸受装置（流体動圧軸受装置）１を組み込んだ情報機器用スピンドルモータの一構成例を概念的に示している。この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に装着されたロータ（ディスクハブ）３と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５とを備えている。ステータコイル４はブラケット６の外周に取付けられ、ロータマグネット５はディスクハブ３の内周に取付けられる。動圧軸受装置１のハウジング７は、ブラケット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が一又は複数枚保持される。ステータ４に通電すると、ステータコイル４とロータマグネット５との間の電磁力でロータマグネット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、ハウジング７と、ハウジング７に固定された軸受スリーブ８と、軸部材２と、軸部材２に固定されたシール部材９とを構成部品して構成される。

軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部材２の軸部２ａの外周面２ａ１との間に第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設けられる。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｃと軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間に第１スラスト軸受部Ｔ１が設けられ、ハウジング７の底部７ｂの内底面７ｂ１とフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２との間に第２スラスト軸受部Ｔ２が設けられる。尚、説明の便宜上、ハウジング７の底部７ｂの側を下側、底部７ｂと反対の側を上側として説明を進める。

ハウジング７は、例えば、樹脂材料を射出成形して有底筒状に形成され、円筒状の側部７ａと、側部７ａの下端に一体に設けられた底部７ｂとを備えている。図４に示すように、第２スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受面となる、底部７ｂの内底面７ｂ１には、例えばスパイラル形状の動圧溝７ｂ２が形成される。この動圧溝７ｂ２は、ハウジング７の射出成形時に成形されたものである。すなわち、ハウジング７を成形する成形型の所要部位（内底面７ｂ１を成形する部位）に、動圧溝７ｂ２を成形する溝型を加工しておき、ハウジング７の射出成形時に上記溝型の形状をハウジング７の内底面７ｂ１に転写することにより、動圧溝７ｂ２をハウジング７の成形と同時成形することができる。また、内底面（スラスト軸受面）７ｂ１から軸方向上方に所定寸法ｘだけ離れた位置に段部７ｄが一体に形成されている。

ハウジングを形成する樹脂は主に熱可塑性樹脂であり、例えば、非晶性樹脂として、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等、結晶性樹脂として、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等を用いることができる。また、上記の樹脂に充填する充填材の種類も特に限定されないが、例えば、充填材として、ガラス繊維等の繊維状充填材、チタン酸カリウム等のウィスカー状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボンファイバー、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、金属粉末等の繊維状又は粉末状の導電性充填材を用いることができる。これらの充填材は、単独で用い、あるいは、二種以上を混合して使用しても良い。この実施形態では、ハウジング７を形成する材料として、結晶性樹脂としての液晶ポリマー（ＬＣＰ）に、導電性充填材としてのカーボンファイバー又はカーボンナノチューブを２〜８ｗｔ％配合した樹脂材料を用いている。

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、あるいは、金属と樹脂とのハイブリッド構造とされ、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体又は別体に設けられたフランジ部２ｂとを備えている。

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燒結金属の多孔質体で円筒状に形成され、ハウジング７の内周面７ｃの所定位置に固定される。

この焼結金属で形成された軸受スリーブ８の内周面８ａには、第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２のラジアル軸受面となる上下２つの領域が軸方向に離隔して設けられ、該２つの領域には、例えば図３（ａ）に示すようなヘリングボーン形状の動圧溝８ａ１、８ａ２がそれぞれ形成される。上側の動圧溝８ａ１は、軸方向中心ｍ（上下の傾斜溝間領域の軸方向中央）に対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心ｍより上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている。また、軸受スリーブ８の外周面８ｄには、１又は複数本の軸方向溝８ｄ１が軸方向全長に亙って形成される。この例では、３本の軸方向溝８ｄ１を円周方向等間隔に形成している。

第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受面となる、軸受スリーブ８の下側端面８ｃには、例えば図３（ｂ）に示すようスパイラル形状の動圧溝８ｃ１が形成される。

シール部材９は、例えば、真ちゅう（黄銅）等の軟質金属材料やその他の金属材料、あるいは、樹脂材料でリング状に形成され、軸部２ａの外周面２ａ１の所定位置に接着剤等により固定される。シール部材９の下側端面９ｂは、軸受スリーブ８の上側端面８ｂとスラスト軸受隙間よりも大きな隙間を介して対向している。また、シール部材９の外周面９ａは、ハウジング７の上端部（開口部）内周面７ａ１との間に所定の容積をもったシール空間Ｓを形成する。シール部材９の外周面９ａの側にシール空間Ｓを形成しているので、ハウジング７の内部空間に充満された潤滑油の温度変化に伴う容積変化量を吸収しうる容積をシール空間Ｓにおいて確保するにあたり、シール空間Ｓ（シール部材９）の軸方向寸法を従来よりも小さくすることが可能である。そのため、例えば、軸受スリーブ８の軸方向長さを従来よりも大きくして、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝８ａ１の軸方向中心ｍを上側端面８ｂの側に移行させ、あるいは、軸受スリーブ８の軸方向寸法を従来よりも縮小することが可能となる。前者によれば、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝８ａ１の軸方向中心ｍと第２ラジアル軸受部Ｒ２の動圧溝８ａ２の軸方向中心との軸方向離間距離が大きくなるので、モーメント荷重に対する負荷能力を高めることができる。一方、後者によれば、動圧軸受装置の軸方向寸法を従来よりも小さくすることができる。

この実施形態において、シール部材９の外周面９ａは、ハウジング７の外部方向に向かって漸次縮径したテーパ面９ａ１を備えており、そのため、シール空間Ｓは、ハウジング７の内部方向に向かって漸次縮小したテーパ形状を呈する。軸部材２の回転時、シール空間Ｓ内の潤滑油は毛細管力による引き込み作用と、回転時の遠心力による引き込み作用により、シール空間Ｓが狭くなる方向（ハウジングの内部方向）に向けて引き込まれる。これにより、ハウジング７の内部からの潤滑油の漏れ出しが効果的に防止される。

図２に示すように、軸部材２の軸部２ａは軸受スリーブ８の内周面８ａに挿入され、フランジ部２ｂは軸受スリーブ８の下側端面８ｃとハウジング７の底部７ｂの内底面７ｂ１との間の空間部に収容される。また、シール部材９の外周面９ａと、ハウジング７の上端部内周面７ａ１との間に所定の容積をもったシール空間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の内部空間には、軸受スリーブ８の内部気孔（多孔質体の組織気孔）を含め、潤滑油が充満される。潤滑油の油面は、シール空間Ｓの範囲内に常に維持される。

軸部材２の回転時、軸受スリーブ８の内周面８ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）は、それぞれ、軸部２ａの外周面２ａ１とラジアル軸受隙間を介して対向する。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｃのスラスト軸受面となる領域はフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１とスラスト軸受隙間を介して対向し、ハウジング７の内底面７ｂ１のスラスト軸受面となる領域はフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２とスラスト軸受隙間を介して対向する。そして、軸部材２の回転に伴い、上記ラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２の軸部２ａが上記ラジアル軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によってラジアル方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をラジアル方向に回転自在に非接触支持する第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２とが構成される。同時に、上記スラスト軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材２のフランジ部２ｂが上記スラスト軸受隙間内に形成される潤滑油の油膜によって両スラスト方向に回転自在に非接触支持される。これにより、軸部材２をスラスト方向に回転自在に非接触支持する第１スラスト軸受部Ｔ２と第２スラスト軸受部Ｔ２とが構成される。第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間（δ１とする。）と第２スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間（δ２とする。）は、ハウジング７の内底面７ｂ１から段部７ｄまでの軸方向寸法ｘと、軸部材２のフランジ部２ｂの軸方向寸法（ｗとする。）とにより、ｘ−ｗ＝δ１＋δ２として精度良く管理することができる。

また、前述したように、第１ラジアル軸受部Ｒ１の動圧溝８ａ１は、軸方向中心ｍに対して軸方向非対称に形成されており、軸方向中心ｍより上側領域の軸方向寸法Ｘ１が下側領域の軸方向寸法Ｘ２よりも大きくなっている｛図３（ａ）｝。そのため、軸部材２の回転時、動圧溝８ａ１による潤滑油の引き込み力（ポンピング力）は上側領域が下側領域に比べて相対的に大きくなる。そして、この引き込み力の差圧によって、軸受スリーブ８の内周面８ａと軸部２ａの外周面２ａ１との間の隙間に満たされた潤滑油が下方に流動し、第１スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間→軸方向溝８ｄ１→軸受スリーブ８の上側端面８ｂとシール部材９の下側端面９ｂとの間の隙間（スラスト軸受隙間よりも大きい。）という経路を循環して、第１ラジアル軸受部Ｒ１のラジアル軸受隙間に再び引き込まれる。このように、潤滑油がハウジング７の内部空間を流動循環するように構成することで、内部空間内の潤滑油の圧力が局部的に負圧になる現象を防止して、負圧発生に伴う気泡の生成、気泡の生成に起因する潤滑油の漏れや振動の発生等の問題を解消することができる。また、何らかの理由で潤滑油中に気泡が混入した場合でも、気泡が潤滑油に伴って循環する際にシール空間Ｓ内の潤滑油の油面（気液界面）から外気に排出されるので、気泡による悪影響はより一層効果的に防止される。

尚、第２スラスト軸受部Ｔ２を、いわゆるピボット軸受で構成するような場合、軸部材２はフランジ部２ｂを有しない形態（ストレート形状）のものが使用される。このような場合には、シール部材９を軸部材２の軸部２ａに一体形成することもできる。

本発明の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。 本発明の実施形態に係る動圧軸受装置を示す断面図である。 軸受スリーブの断面図｛図３（ａ）｝、下側端面と上側端面を示す図｛図３（ｂ）｝である。 ハウジングを上方から見た図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
７ ハウジング
８ 軸受スリーブ
８ａ 内周面
９ シール部材
９ａ 外周面
９ａ１ テーパ面
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部
Ｓ シール空間

Claims (2)

1. ハウジングと、該ハウジングの内部に固定された軸受スリーブと、前記ハウジング及び軸受スリーブに対して相対回転する軸部材と、前記ハウジングの一端部の側に位置するシール部材と、前記軸受スリーブと前記軸部材との間のラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の動圧作用で前記軸部材をラジアル方向に非接触支持するラジアル軸受部とを備えた動圧軸受装置において、
   前記シール部材は前記軸部材に設けられており、前記シール部材の外周面と前記ハウジングの一端部の内周面との間にシール空間を有することを特徴とする動圧軸受装置。
2. 前記シール部材の外周面に、前記ハウジングの外部方向に向かって漸次縮径したテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の動圧軸受装置。