JP2006029559A

JP2006029559A - 動圧軸受装置

Info

Publication number: JP2006029559A
Application number: JP2004213296A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ogimoto; 健治荻本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】装置の温度上昇があった場合でも、内部に封入された潤滑流体の漏れがなく、寿命の長い動圧軸受装置を提供する。
【解決手段】スリーブ１の一端の開口部に設けられた円周段部１ａに嵌め入れられた蓋部材３を、スリーブ１を構成する材料より線膨張係数の大きい材料を用いて形成する。以上の構成によって、この動圧軸受装置は、高温環境下での作動において、スリーブ１密閉端側の軸受すきまＳ_１が、開放端側の軸受すきまＳ_２に比べて大きくなる。また、このスリーブ内周面１ａの形状により、スリーブ１とシャフト２の間の潤滑流体は、これらの相対回転に従って、スリーブ１の開放端側から密封端側に向けて押し込まれる。従って、本発明の動圧軸受装置は、高温環境下における作動あるいは長時間の回転による潤滑流体の温度上昇があった場合でも、スリーブ開口端側からの潤滑流体の漏出を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、動圧軸受装置に関し、更に詳しくは、高温環境下での使用においても、内部に封入された潤滑流体の外部への漏れを防止することのできる動圧軸受装置に関する。

磁気ディスクや光ディスクなどに用いられるスピンドルモータ等のような高速回転装置を支持するための軸受装置として、動圧軸受装置（動圧流体軸受）が採用されている。動圧軸受装置は、一般に、シャフトとスリーブ等、相対回転自在に配置された二つの部材における互いの対向面（動圧面）のいずれか一方に、複数条の動圧溝を形成するとともに、その対向面間に潤滑油剤、液体金属等の液体、または種々の気体等の流体を充填した構成である。この構成により、動圧軸受装置は、二つの部材の相対回転時に、動圧溝のポンピング作用等によって流体に圧力（動圧）を発生させ、その動圧により二つの部材を非接触に支持する。

図２は、従来の動圧軸受装置の構造を示す模式的断面図である。この例は、スラスト（アキシャル）方向の荷重を、軸部材先端に形成したピボット軸受で支承するラジアル動圧軸受を示している。なお、この図は、大気圧・常温（２０℃）の環境下で、動圧軸受装置が作動していない状態を表している。また、説明を容易にするために、動圧溝はその溝深さを強調して描かれている。

このラジアル動圧軸受は、一方の開口が蓋部材１３により密閉されたスリーブ１と、このスリーブ１の他方の開口から挿入され、その内周に嵌合されたシャフト２とから構成されている。なお、図示上方（軸方向上側）をこの動圧軸受における開放端側、図示下方（軸方向下側）をこの動圧軸受における密閉端側として説明する。

スリーブ１は略筒状であり、一方の開口部に設けられた円周段部１ａ（２０℃における内径ｒ_２ｍｍ：以下同様）に、蓋部材（カウンタープレート）１３が嵌め入れられている。この蓋部材１３は略円板状（外径Ｒｍｍ）であり、接着剤やねじ等を用いてスリーブ１と一体とされている（例えば、特許文献１〜２等を参照）。

シャフト２（外径Ｄｍｍ）は、スリーブ１の開口端側から挿入され、このスリーブ１の内周（内径ｒ_１ｍｍ）に僅かの間隙を開けて回転自在に嵌合されている。このシャフト２の端部２ａは、半球状に形成されているとともに、その先端が蓋部材１３に接するように配置され、軸方向の荷重を支承するピボット軸受としての機能を果たす。

なお、シャフト２とスリーブ１との間の間隙には、図示しない潤滑流体が充填されている。また、スリーブ１の開放端側の開口部には、この潤滑流体の外部への漏出を防止するキャピラリーシール等が設けられている場合もある。

このスリーブ１の内周面１ｘは、一般に、ストレート形状の円筒面に形成されており、軸方向に所定の距離をおいて隣接する位置に、それぞれ周方向にヘリングボーンまたはＶ字パターンの密閉端側のラジアル動圧溝Ｖａおよび開放端側のラジアル動圧溝Ｖｂが設けられている。そして、シャフト２とスリーブ１が相対回転した場合、スリーブ１の内周面１ｘと対向するシャフト２の外周面２ｘとの間にある潤滑流体に、これらを非接触に支持する圧力（動圧）が発生する。

特開２００３−２９４０５０号公報特開２００４−１０８５５０号公報

ところで、以上のような動圧軸受装置においては、高温環境下における作動あるいは長時間の回転による装置の温度上昇によって、スリーブ開放端側から潤滑流体の漏れ（油漏れ）が発生する場合があった。

この問題は、温度上昇による潤滑流体の体積・粘度変化、あるいはこの粘度変化に起因して気泡等が巻き込まれることにより生じていると考えられる。

本発明は、上記する課題に対処するためになされたものであり、装置の温度上昇があった場合でも、内部に封入された潤滑流体の漏れがなく、寿命の長い動圧軸受装置を提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、両端部が開口したスリーブと、このスリーブの一端の開口部に設けられた円周段部に嵌め入れられた蓋部材と、前記スリーブの内周に僅かのすきまを開けて嵌合されたシャフトと、これらシャフトとスリーブの間に充填された潤滑流体とを備え、前記シャフトとスリーブの対向面の少なくとも一方に形成された動圧溝で発生する動圧により、これらシャフトとスリーブの相対回転を非接触に支持する動圧発生溝において、前記蓋部材が、前記スリーブを構成する材料より線膨張係数の大きい材料を用いて形成されていることを特徴とする。

本発明は、一端が開放されたスリーブを備える動圧軸受において、その開口を密閉する蓋部材に、熱による膨張率の異なる材料を用いることにより、スリーブ内径面に僅かな傾斜を生じさて、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、請求項１に記載の発明によれば、スリーブの開口を密閉する蓋部材を、スリーブを構成する材料より線膨張係数の大きい材料を用いて形成することにより、高温時には、この蓋部材の熱膨張によって、スリーブ密閉端側の軸受すきまが、スリーブ開放端側の軸受すきまより大きくなる。また、動圧軸受においては、一般に、スリーブとシャフトとの軸受すきまが小さければ小さいほど相対回転時における動圧効果（ポンピング効果とくさび膜効果）による発生圧力が大きくなることが知られており、上記構成により発生した圧力差により、スリーブとシャフトの間の潤滑流体は、スリーブの開放端側から密封端側に向けて押し込まれることとなる（ポンプイン効果）。

従って、本発明の動圧軸受装置は、高温環境下における作動あるいは長時間の回転による潤滑流体の温度上昇があった場合でも、この潤滑流体がスリーブ開放端側に向かうことなく、スリーブからの油漏れが防止されるとともに、この油漏れに起因する不具合の発生も防止される。

また、前記スリーブの線膨張係数ａと、前記蓋部材の線膨張係数ｂとの関係は、下記の式（１）を満たしていることが好ましい（請求項２）。

（式中、ａはスリーブの線膨張係数[℃^−１]、ｂは蓋部材の線膨張係数[℃^−１]、Ｄはシャフトの外周面の直径［ｍｍ］、Ｒは蓋部材の外周面の直径［ｍｍ］、Δｒ_１はスリーブの内径ｒ_１［ｍｍ］とシャフトの外径Ｄ［ｍｍ］との差、Δｒ_２は蓋部材の外径Ｒ［ｍｍ］とスリーブの円周段部の内径ｒ_２［ｍｍ］との差、を示す。）

なお、これらの変数は、すべて大気圧下で雰囲気温度２０℃における測定値に基づくものである。また、蓋部材の外径Ｒとスリーブの円周段部の内径ｒ_２との差Δｒ_２は、蓋部材の外径Ｒより円周段部の内径ｒ_２の方が大きい（すきま嵌めの）場合に負の値となり、円周段部の内径ｒ_２より蓋部材の外径Ｒが大きい（締まり嵌め・圧入の）場合に正の値をとる。

ここで、この式（１）による計算結果が−１１．７を下回る場合は、スリーブ密閉端側の内周面の拡径が不十分で、十分なポンプイン効果を得られず、開放端側からの油漏れが懸念される。

また、前記のポインプイン効果によって、シャフトは蓋部材の表面より数μｍ程度浮上して回転しているのであるが、この式（１）による計算結果が１１．７を上回る場合は、潤滑流体をスリーブ密閉端側へ押し込む力が過剰となり、蓋部材とシャフトの端面との間に圧力によってシャフトが長手方向に移動して、過浮上による異常挙動が発生してしまう可能性がある。

従って、本発明における動圧軸受装置は、式（１）を満たす構成が望ましく、またこの構成によって、前記不具合に起因する軸受寿命の低下を未然に防ぐことができる。

以上のように、本発明によれば、高温環境下における作動あるいは長時間の回転による装置の温度上昇があった場合でも、スリーブ開放端側から潤滑流体の漏れがなく、寿命の長い動圧軸受装置を実現することが可能となる。

以下、図面を参照しつつこの発明を実施するための形態について説明する。
本軸受外輪における動圧軸受装置も、基本的な構成は従来例（図２）と同様であり、略筒状のスリーブ１にシャフト２（外径Ｄｍｍ）が挿入されており、ストレート状に形成されたスリーブ内周面１ｘ（内径ｒ_１ｍｍ）には、ヘリングボーンタイプのラジアル動圧溝Ｖａ，Ｖｂが形成されている。

また、スリーブ１の一端の開口部に形成された円周段部１ａ（内径ｒ_２ｍｍ）には、略円板状の蓋部材３（外径Ｒｍｍ）が嵌め入れられており、この蓋部材３によってスリーブ１はその一端側のみが密封されている。そして、スリーブ１とシャフト２との間に形成される軸受すきまには、潤滑流体（図示省略）が充填されている。

本実施形態における動圧軸受装置の特徴は、蓋部材３が、スリーブ１を構成する材料より線膨張係数の大きい材料を用いて形成されている点である。すなわち、スリーブ１の線膨張係数をａ[℃^−１]、蓋部材３の線膨張係数をｂ[℃^−１]とした場合、これらの間には以下の式（２）の関係が成立する。
ａ＞ｂ・・・・・（２）

次に、この線膨張係数の大きな材料から形成された蓋部材の作用について説明する。
図１は、本実施形態における動圧軸受を、高温環境下（雰囲気温度９０度前後）で作動させた状態を示す模式的断面図である。なお、説明を容易にするために、これら部材の形状は実際より誇張して描かれている。

上記した構成の動圧軸受装置においても、従来の動圧軸受同様、シャフト２とスリーブ１が相対回転した場合、スリーブ１の内周面１ｘと対向するシャフト２の外周面２ｘとの間にある潤滑流体（図示省略）に、これらを非接触に支持する動圧が発生する。

ここで注目すべき点は、本実施形態における動圧軸受装置は、このような高温環境下での作動において、スリーブ内周面１ｘとシャフト外周面２ｘとの間の軸受すきま（径方向すきま）が、軸方向に一様ではなく、スリーブ１の密閉端側軸受すきまＳ_１が、開放端側軸受すきまＳ_２に比べて大きくなっている点である（Ｓ_１＞Ｓ_２）。

この密閉端側におけるスリーブ内周面１ａの拡径は、スリーブ１より熱膨張率の大きい蓋部材３によって、スリーブ１の円周段部１ａの側面が押し広げられたことによりもたらされている。また、このスリーブ内周面１ａの形状により、スリーブ１とシャフト２の間の潤滑流体は、これらの相対回転に従って、スリーブ１の開放端側から密封端側に向けて押し込まれることとなる。

従って、本実施形態における動圧軸受装置は、高温環境下における作動あるいは長時間の回転による潤滑流体の温度上昇があった場合でも、スリーブ開口端側からの潤滑流体の漏出を防止することができる。

さて一方、この実施形態における動圧軸受装置は、潤滑流体がスリーブ密閉端側に押し込まれることによって、この密閉端側における潤滑流体の圧力が高まり、図示のように、シャフト２は蓋部材３の表面から浮上した状態（浮上量δμｍ）で回転しているのであるが、この浮上量δが大きくなり過ぎると、シャフト２の回転に異常が発生し、安定した作動を得ることができない場合がある。

そこで、本発明者らは実験によって、スリーブの線膨張係数ａ、蓋部材の線膨張係数ｂ、シャフトの外径Ｄ、蓋部材の外径Ｒ、スリーブの内径ｒ_１とシャフトの外径Ｄとの差Δｒ_１、および蓋部材の外径Ｒとスリーブの円周段部の内径ｒ_２との差Δｒ_２の関係を、以下の式（３）を用いた計算値が所定の範囲に納まるように設定することにより、これらシャフトの過浮上や潤滑流体の漏れといった不具合を抑制できることを確認した。

以下に、その実験例を説明する。

先ず、実験に先立ち、各サンプルの諸元の測定を常温２０℃下にて行った。
スリーブ材料の線膨張係数ａ＝＊＊＊[℃^−１]
蓋部材材料の線膨張係数ｂ＝＊＊＊[℃^−１]
シャフトの外径Ｄ＝３．５［ｍｍ］
蓋部材の外径Ｒ＝９．０［ｍｍ］
なお、スリーブの内径ｒ_１とシャフトの外径Ｄとの差Δｒ_１、および蓋部材の外径Ｒとスリーブの円周段部の内径ｒ_２との差Δｒ_２は、サンプル毎に測定した。また、各サンプルは、これらの測定値を用いて式（３）による計算を行い、得られた計算値に応じて、後述する２５の階層に振り分けた（各階層毎のサンプル母数は１５個）。

実験は、図１と同様、一端側を蓋部材３で密封したスリーブ１を、蓋部材３側を下方に向けて鉛直に配置し、スリーブ１とシャフト２の間に潤滑流体（潤滑油剤＊＊＊＊：ＸＸｍｌ）を充填した状態で、大気圧９０℃の雰囲気下においてシャフト２を駆動装置（図示せず）によって１時間回転させ、スリーブ１の開放端側からの潤滑油剤の漏れと、シャフト２の浮上量を計測した。

潤滑油剤の漏れは、実験終了後、目視にて油漏れのない物を「正常」、油漏れの見られた物を「不具合」と判定した。また、シャフトの浮上量δは、１時間経過時の浮上量を、変位計を用いて計測した。なお、シャフトの浮上量δは、１０μｍ未満であれば、この動圧軸受装置が用いられるＨＤＤ装置等に悪影響を及ぼさないことが知られており、製造工程においても実際そのように管理されている。従って、１時間経過後の浮上量δが１０μｍ未満の物を「正常」、１０μｍ以上の物を「不具合」と判定した。以上の実験より得られた結果を（表１）に示す。

これらの結果は、実験に先立った諸元の測定値を用いて前記式（３）より計算された値毎に、その中央値とともに２５の階層に分けて表示している。

この表１から明らかなように、式（３）による計算値が−１１．７を下回ると、スリーブ開放端側から油漏れが発生する確立が極端に増加する。また、式（３）による計算値が＋１１．７を上回ると、シャフトの過浮上が発生する可能性が高まってしまう。従って、本実施形態においては、動圧軸受装置の前記諸元が式（１）を満たすことが望ましく、またこの構成によって、前記不具合に起因する軸受寿命の低下を未然に防ぐことができる。

なお、本実施形態においては、動圧溝がスリーブ内周面側に形成された例を示したが、動圧溝はスリーブ内周面あるいはシャフト外周面のどちら側に設けても良く、シャフト回転もしくはスリーブ回転のどちらのタイプの動圧軸受装置でも良い。

また、本発明における動圧軸受装置を構成する部材の材料は特に限定されるものではない。また更に、動圧軸受装置の構成も、この実施形態おける例に限定されるものではなく、シャフトの先端部にスラスト（アキシャル）方向の荷重を支持するスラスト板を備える動圧軸受装置等にも、等しく適用することができる。

本実施形態における動圧軸受を、高温環境下で作動させた状態を示す模式的断面図である。従来の動圧軸受装置の構造を示す模式的断面図である。

符号の説明

１スリーブ
１ａ円周段部
１ｘ内周面
２シャフト
２ａ端部
２ｘ外周面
３，１３蓋部材
Ｖａ，Ｖｂラジアル動圧溝

Claims

両端部が開口したスリーブと、このスリーブの一端の開口部に設けられた円周段部に嵌め入れられた蓋部材と、前記スリーブの内周に僅かのすきまを開けて嵌合されたシャフトと、これらシャフトとスリーブの間に充填された潤滑流体とを備え、前記シャフトとスリーブの対向面の少なくとも一方に形成された動圧溝で発生する動圧により、これらシャフトとスリーブの相対回転を非接触に支持する動圧発生溝において、
前記蓋部材が、前記スリーブを構成する材料より線膨張係数の大きい材料を用いて形成されていることを特徴とする動圧軸受装置。
前記スリーブの線膨張係数ａと、前記蓋部材の線膨張係数ｂとの関係が、下記の式（１）を満たし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。

（式中、ａはスリーブの線膨張係数[℃^−１]、ｂは蓋部材の線膨張係数[℃^−１]、Ｄはシャフトの外周面の直径［ｍｍ］、Ｒは蓋部材の外周面の直径［ｍｍ］、Δｒ_１はスリーブの内径ｒ_１［ｍｍ］とシャフトの外径Ｄ［ｍｍ］との差、Δｒ_２は蓋部材の外径Ｒ［ｍｍ］とスリーブの円周段部の内径ｒ_２［ｍｍ］との差、を示す。ただし、これらの変数はすべて大気圧下で雰囲気温度２０℃における測定に基づく。）