JP2006017280A - 動圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸部材の成形性を確保することで、成形型の転写性や寸法精度に優れた軸部材を備えた動圧軸受装置を提供する。
【解決手段】 軸部材２を、内軸部２２の半径をＲｉ、内軸部２２の軸長をＬ、フランジ部２ｂの半径をＲｆ、フランジ部２ｂの厚みをＨとして、以下の条件式、Ｌ／（２×Ｒｉ）＜５０、かつＲｆ／Ｈ＜５０、を満たす形状となるように形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、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用、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）のポリゴンスキャナモータ、プロジェクタのカラーホイール、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。

動圧軸受は、軸受隙間で生じた流体動圧により軸部材を非接触状態で支持する軸受である。この動圧軸受を使用した軸受装置（動圧軸受装置）は、ラジアル軸受部を動圧軸受で構成するとともに、スラスト軸受部をピボット軸受で構成する接触タイプと、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部の双方を動圧軸受で構成する非接触タイプとに大別され、個々の用途に応じて適宜使い分けられている。

このうち、非接触タイプの動圧軸受装置の一例として、軸部材を構成する軸部とフランジ部とを一体に構成したものが知られており、これによれば軸部材の低コスト化および高精度化が図られる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２９１６４８号公報

これら軸部材をはじめとする動圧軸受装置の各構成部品には、情報機器の益々の高性能化に伴って必要とされる高い回転性能を確保すべく、高い加工精度や組立て精度が求められる。その一方で、動圧軸受装置に対するコスト低減の要求も益々厳しくなっている。

そこで、本発明は、非接触タイプの動圧軸受装置のさらなる高精度化、および低コスト化を図ることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、軸部材と、ラジアル軸受隙間に生じる流体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、スラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用で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を備えた動圧軸受装置において、軸部材が、軸方向に延びる内軸部と、内軸部の外径側に張り出したフランジ部と、内軸部の外周に配置した外軸部とを備えるものとし、内軸部とフランジ部を樹脂で一体成形すると共に、外軸部を金属で形成した。さらに軸部材が、内軸部の半径をＲｉ、内軸部の軸長をＬ、フランジ部の半径をＲｆ、フランジ部の厚みをＨとして、以下の条件式、Ｌ／（２×Ｒｉ）＜５０、かつＲｆ／Ｈ＜５０、を満たす形状を有するものとした。

内軸部の外周に配置した外軸部を金属で形成することにより、内軸部と外軸部とから成る軸部の強度や剛性を確保できる他、外軸部の外周に配置される金属製のスリーブ（例えば焼結金属等からなる軸受スリーブ）に対する軸部材の耐摩耗性を確保することができる。その一方、軸部材の多くの部分（内軸部およびフランジ部）を樹脂で形成することにより、軸部材の軽量化が図られる。これによれば、軸部材をスラスト方向に非接触支持するために必要な流体の動圧作用が小さくて済むので、スラスト軸受面を形成するフランジ部の端面を小さくすることができ、軸部材の小型化が図られる。また、この軸部材については、金属製の外軸部をインサート部品として射出成形が可能であるので、生産性の向上と、低コスト化が共に達成できる。

これら金属と樹脂の複合構造を成す軸部材を、上述のように射出成形する際には、軸部材の形状が成形性に及ぼす影響を考慮する必要がある。例えば樹脂をキャビティー内に供給するためのゲートを、フランジ部の端面中央に対応する位置に設けた場合、ゲートからキャビティー内に供給された樹脂は、内軸部に対応する領域をフランジ部側から軸端側に向けて流れる一方で、フランジ部に対応する領域を中心側から外径側に向けて流れる。このとき、内軸部の内径が極端に小さかったり、あるいはフランジ部の厚みが極端に小さいと、供給された樹脂が内軸部やフランジ部に対応する領域を流れる際に大きな圧力損失が発生する。そのため、内軸部やフランジ部に対応する領域を十分に充填することが困難となる。また、内軸部の軸長が長いほど、言い換えると樹脂が内軸部に対応する領域内を流れる距離が長いほど、樹脂がフランジ部側から軸端側へ流れる間の圧力損失は大きくなる。フランジ部に関しても同様に、フランジ部の半径が大きいほど樹脂が中心側から外径側へ流れる間の圧力損失が大きくなる。この点に鑑みて、本発明では、内軸部の半径をＲｉ、内軸部の軸長をＬ、フランジ部の厚みをＨ、フランジ部の半径をＲｆとして、軸部材が以下の条件式、Ｌ／（２×Ｒｉ）＜５０、Ｒｆ／Ｈ＜５０を共に満たす形状とした。

これによれば、ゲートから供給された樹脂が内軸部やフランジ部に対応する領域を流れるのに最低限必要な断面積が確保され、充填領域を樹脂が流れる際に生じる圧力損失を抑えることができる。そのため、内軸部に対応する領域およびフランジ部に対応する領域を高精度に充填することができる。なお、上記条件式の上限値は、軸部材に使用する樹脂のキャビティー内での流動性を考慮して規定している。

樹脂をキャビティー内に供給するためのゲートは、上述のように、フランジ部の端面中央に対応する位置に設ける他、内軸部の軸端に対応する位置に設けることもできる。この場合、上記ゲートからキャビティー内に供給された樹脂は、内軸部に対応する領域を軸端側からフランジ部側に向けて流れ、その後、フランジ部に対応する領域を中心側から外径側に向けて流れる。そのため、フランジ部側にゲートを設けた場合に比べて、キャビティー内を流れる樹脂が冷却され易く、樹脂の流動性が低下する。よって、内軸部の軸端側にゲートを設ける場合には、軸部材を、Ｌ／（２×Ｒｉ）＋Ｒｆ／Ｈ＜５０を満たすように形成すればよい。これによれば、ゲートからキャビティー内に供給された樹脂が、大きな圧力損失を生じることなく、内軸部の軸端側からフランジ部側、そしてフランジ部の中心側から外径側へ流れていき、フランジ部の外径側から中心側、そして内軸部のフランジ部側から軸端側の順に充填される。この結果、軸部材の成形性が確保され、軸部材の樹脂形成部（内軸部とフランジ部）が高精度に形成される。

ゲート位置としては、この他にフランジ部の外周縁部に対応する位置が考えられるが、その場合には、ゲートを内軸部の軸端に対応する位置に設けた場合と同様に、軸部材の形状を規定すればよい。すなわち、軸部材を、Ｌ／（２×Ｒｉ）＋Ｒｆ／Ｈ＜５０を満たすように形成すればよい。これによれば、ゲートからキャビティー内に供給した樹脂が、大きな圧力損失を生じることなく、フランジ部の外径側から中心側、そして内軸部のフランジ部側から軸端側へ流れ、内軸部の軸端側からフランジ部側、そしてフランジ部の中心側から外径側の順に充填される。

以上のように、本発明によれば、軸部材の成形性が確保されるので、成形型の転写性や寸法精度に優れた軸部材が低コストで製造可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る動圧軸受装置１を組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に取り付けられたディスクハブ３と、半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル４およびロータマグネット５と、ケーシング６とを備えている。ステータコイル４はケーシング６の外周に取り付けられ、ロータマグネット５はディスクハブ３の内周に取り付けられている。動圧軸受装置１の一構成要素であるハウジング７はケーシング６の内周に固定される。ディスクハブ３には、磁気ディスク等のディスク状情報記録媒体Ｄが一又は複数枚保持される。ステータコイル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との間に発生する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。

動圧軸受装置１は、例えば図４に示すように、一端に開口部７ａ、他端に底部７ｃを有するハウジング７と、ハウジング７の内周面７ｄに固定された円筒状の軸受スリーブ８と、軸部２ａおよびフランジ部２ｂからなる軸部材２と、ハウジング７の開口部７ａに固定されたシール部材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側を上方向、ハウジング７の底部７ｃ側を下方向として以下説明する。

ハウジング７は、例えば真ちゅう等の軟質金属あるいは樹脂で形成され、円筒状の側部７ｂと円板状の底部７ｃとを別体構造として備えている。ハウジング７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に底部７ｃとなる蓋状部材が例えば加締め、接着、あるいは圧入等の手段で固定されている。なお、ハウジング７の側部７ｂと底部７ｃは、金属材料あるいは樹脂材料で一体に形成することもできる。

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る。軸受スリーブ８の内周面８ａには、図４に示すように、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ている。

上記２つの領域には、例えば、図５に示すようなへリングボーン形状の動圧溝８ａ１、８ａ２がそれぞれ形成されている。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。上方のラジアル軸受面の軸方向長さ（動圧溝８ａ１上端から下端までの距離）は、下方のラジアル軸受面の軸方向長さ（動圧溝８ａ２上端から下端までの距離）よりも大きい。

図４に示すように、シール手段としてのシール部材９は環状を成しており、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９ａは円筒状に形成され、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と当接している。

シール部材９の内周面９ａに対向する軸部２ａの外周面２ａ１にはテーパ面が形成されており、このテーパ面とシール部材９の内周面９ａとの間には、ハウジング７の底部７ｃ側から開口部７ａ側に向けて半径方向寸法が漸次拡大する環状のシール空間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の内部空間には、潤滑油が注油され、ハウジング７内が潤滑油で満たされる。この状態では、潤滑油の油面はシール空間Ｓの範囲内に維持される。

図１に示すように、軸部材２は、軸部２ａとフランジ部２ｂを備えている。その一方で、軸部材２は、樹脂と金属の複合構造を成す。樹脂部は、軸方向に延びる内軸部２２と、内軸部２２の外径側に張り出したフランジ部２ｂとからなり、両者を樹脂材料で一体に形成したものである。金属部は、樹脂製の内軸部２２の外周を被覆する外軸部２１であって、中空円筒状に形成したものである。従って、軸部２ａは外周に金属材を配置すると共に、内軸部に樹脂材を配置した複合構造となる。

金属製の外軸部２１と、樹脂製の内軸部２２およびフランジ部２ｂとの分離防止のため、外軸部２１の下端では、その端部２１ａがフランジ部２ｂに埋め込まれている。外軸部２１の上端では、内軸部２２と例えばテーパ面２１ｂ等からなる係合部を介して外軸部２１と内軸部２２とが軸方向で係合状態にある。外軸部２１の回り止めのため、フランジ部２ｂに埋め込まれた外軸部２１の外周あるいは端縁に、ローレット加工等によりフランジ部２ｂと円周方向で係合可能の凹凸係合部を設けてもよい。

軸部材２は、金属製の外軸部２１をインサート部品として、例えば射出成形で形成されるが、この際、軸部材２の成形性を高く保つために軸部材２が満たすべき条件式は、成形金型のゲート位置によって異なる。例えば、ゲート位置がフランジ部２ｂの端面中心２ｂ３にある場合、軸部材２は、内軸部２２の半径をＲｉ、内軸部２２の軸長をＬ、フランジ部２ｂの半径をＲｆ、フランジ部２ｂの厚みをＨとして（図１参照）、以下の条件式（Ａ）、Ｌ／（２×Ｒｉ）＜５０、かつＲｆ／Ｈ＜５０を満たす形状となるように形成される。ゲート位置が内軸部２２の軸端中心２２ａにある場合、もしくはゲート位置がフランジ部２ｂの外周縁部２ｂ４にある場合、軸部材２は、以下の条件式（Ｂ）、Ｌ／（２×Ｒｉ）＋Ｒｆ／Ｈ＜５０を満たす形状となるように形成される。

このように、軸部材２の形状を、内軸部２２やフランジ部２ｂの寸法比率を以て規定したので、キャビティー内に供給された樹脂が内軸部２２やフランジ部２ｂに対応する領域を流れる際に生じる圧力損失を減じて、内軸部２２やフランジ部２ｂを樹脂で高精度に充填することができる。この結果、軸部材２の成形性が確保され、ウェルドもなく、転写性や寸法精度に優れた軸部材２を低コストで製造することができる。なお、条件式（Ａ）は、フランジ部２ｂの端面中心２ｂ３からキャビティー内に供給された樹脂が、内軸部２２とフランジ部２ｂに対応する領域をそれぞれ流れるために満たすべき条件式であり、条件式（Ｂ）は、樹脂が内軸部２２の軸端側からフランジ部２ｂの外径側へ、あるいはフランジ部２ｂの外径側から内軸部２２の軸端側へ流れるために満たすべき条件式である。

また、軸部材２に使用される樹脂が内軸部２２やフランジ部２ｂを流れるために、最低限必要な内軸部２２の半径Ｒｉおよびフランジ部２ｂの厚みＨは、以下の条件式（Ｃ）Ｒｉ＞０．２ｍｍ、Ｈ＞０．４ｍｍの範囲内に定める必要がある。なお、上記条件式（Ａ）、（Ｂ）の上限値、または条件式（Ｃ）の下限値は、それぞれ軸部材に用いる樹脂材料、若しくは樹脂材料に配合される充填材の配合割合によって変動する。この実施形態では、上記条件式（Ａ）〜（Ｃ）に対応する材料として、例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等、耐熱性や吸水性、アウトガス性に優れた樹脂が使用可能である。また、ガラス繊維やカーボン繊維、あるいはチタン酸カリウムやホウ酸アルミニウムウィスカ等、軸部材２の補強効果や寸法安定効果を有する充填材の他、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の導電化剤が使用可能である。

フランジ部２ｂの両端面２ｂ１、２ｂ２には、それぞれ動圧を発生するためのスラスト軸受面となる動圧溝領域が形成される。このスラスト軸受面には、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すように、スパイラル形状を成す複数の動圧溝２３、２４が形成され、この動圧溝領域はフランジ部２ｂのインサート成形と同時に型形成される。

軸部材２の軸部２ａは軸受スリーブ８の内周に挿入され、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の内底面７ｃ１との間に収容される。軸受スリーブ８の内周面８ａの上下２箇所のラジアル軸受面は、それぞれ軸部２ａの外周面２ａ１（外軸部２１の外周面）とラジアル軸受隙間を介して対向し、ラジアル軸受部Ｒ１およびラジアル軸受部Ｒ２を構成する。フランジ部２ｂの上側端面２ｂ１に形成したスラスト軸受面は、軸受スリーブ８の下側端面８ｃとスラスト軸受隙間を介して対向し、これによってスラスト軸受部Ｔ１が構成される。また、フランジ部２ｂの下側端面２ｂ２に形成したスラスト軸受面は、ハウジング７の底部７ｃの内底面７ｃ１とスラスト軸受隙間を介して対向し、これによってスラスト軸受部Ｔ２が構成される。

以上の構成から、軸部材２の回転時には、上述のように動圧溝８ａ１、８ａ２の作用によってラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の各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が各ラジアル軸受隙間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。同時に、フランジ部２ｂの両端面２ｂ１、２ｂ２に形成された動圧溝の作用によってスラスト軸受部Ｔ１，Ｔ２の各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が各スラスト軸受隙間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。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、軸部材２の成形性を確保するために最低限必要な形状を規定したが、さらにこの軸部材２の形状を、使用時の負荷形態を考慮して規定するようにしてもよい。考慮すべき負荷形態は、軸部材２の軸方向への引張りあるいは圧縮であり、この負荷形態により起こり得る破壊形態は、（１）軸部２ａの引張り応力による破断、（２）内軸部２２とフランジ部２ｂの付け根部分のせん断応力による破断、（３）軸部２ａの圧縮応力による圧縮破壊、の４形態、である。以下、これら４つの破壊形態を生じさせないために軸部材２が満たすべき形状を規定する。

（１）軸部２ａが軸方向上方に引張られた場合、軸部２ａが引張り応力により破断しないために満たすべき条件式は、
引張力：Ｆ、許容引張り応力：σｆとして、
Ｒｉ＞（Ｆ／π×σｆ）^1/2
（２）軸部２ａが軸方向上方に引張られた場合、フランジ部２ｂがせん断応力により破断しないために満たすべき条件式は、
許容せん断応力：σｓとして、
Ｒｉ×Ｈ＞Ｆ／（２×π×σｓ）
（３）軸部２ａが圧縮荷重−Ｆを受けた場合、内軸部２２が圧縮応力により圧縮破壊しないために満たすべき条件式は、
許容圧縮応力：σｐ、圧縮荷重：−Ｐとして、
Ｆ＜（Ｒｏ²−Ｒｉ²）π×σｐ
これら条件式に基づき、内軸部２２の半径Ｒｉ、内軸部２２の軸長Ｌ、フランジ部２ｂの半径Ｒｆ、フランジ部２ｂの厚みＨが適切に定められる。また、上述の条件式には、外軸部２１の半径Ｒｏが含まれるので、上記寸法パラメータに加えて、外軸部２１の半径Ｒｏが適切に設定可能となる。

なお、上記パラメータのうち、許容引張り応力σｆ、許容せん断応力σｓ、許容圧縮応力σｐは、樹脂の種類および樹脂に配合される充填材の種類や配合割合によって定められる。また、引張力（圧縮荷重）Ｐは、軸受装置を実装するディスク駆動装置等の回転部分の重量や、それらに要求される耐衝撃加速度によって定められる。

本発明は、軸部２ａとフランジ部２ｂを有する軸部材２を備えた全ての動圧軸受装置に適用可能である。すなわち、上記実施形態では、フランジ部の両端面２ｂ１、２ｂ２に動圧溝を形成した例を説明したが、これに限ることなく、両端面２ｂ１、２ｂ２と対向する面（例えば軸受スリーブ８の下側端面８ｃやハウジング７の底部７ｃの内底面７ｃ１等）に動圧溝を形成したものであってもよい。また、下方のスラスト軸受部Ｔ２を他の箇所、例えばハウジング７の開口部７ａ端面と、これに対向する回転部材（ディスクハブ３等）の端面との間に形成することもできる。

本発明の一実施形態に係る軸部材の断面図である。 （ａ）はフランジ部の平面図（図１中のａ矢視図）、（ｂ）はフランジ部の底面図（図１中のｂ矢視図）である。 軸部材を備えた動圧軸受装置を組込んだスピンドルモータの断面図である。 動圧軸受装置の断面図である。 軸受スリーブの断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ａ 軸部
２ａ１ 外周面
２ｂ フランジ部
２ｂ１ 上側端面
２ｂ２ 下側端面
２ｂ３ 端面中心
２ｂ４ 外周縁部
３ ディスクハブ
４ ステータコイル
５ ロータマグネット
６ ケーシング
７ ハウジング
７ａ 開口部
７ｂ 側部
７ｃ 底部
８ 軸受スリーブ
８ａ１、８ａ２ 動圧溝
８ｃ 下側端面
９ シール部材
２１ 内軸部
２１ａ 端部
２１ｂ テーパ面
２２ 外軸部
２２ａ 軸端中心
２３、２４ 動圧溝
Ｒｆ フランジ部の半径
Ｒｉ 内軸部の半径
Ｒｏ 外軸部の半径
Ｈ フランジ部の厚み
Ｌ 内軸部の軸長
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部

Claims (2)

1. 軸部材と、ラジアル軸受隙間に生じる流体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、スラスト軸受隙間に生じる流体の動圧作用で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を備えた動圧軸受装置において、
   軸部材が、軸方向に延びる内軸部と、内軸部の外径側に張り出したフランジ部と、内軸部の外周に配置した外軸部とを備え、内軸部とフランジ部が樹脂で一体成形されると共に、外軸部が金属で形成され、
   かつ軸部材が、内軸部の半径をＲｉ、内軸部の軸長をＬ、フランジ部の半径をＲｆ、フランジ部の厚みをＨとして、以下の条件式
   Ｌ／（２×Ｒｉ）＜５０、かつ
   Ｒｆ／Ｈ＜５０
   を満たす形状を有することを特徴とする動圧軸受装置。
2. 軸部材が、以下の条件式
   Ｌ／（２×Ｒｉ）＋Ｒｆ／Ｈ＜５０
   を満たす形状を有する請求項１記載の動圧軸受装置。