JP2006112561A - 流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この種の流体軸受装置におけるハウジングの底部の塑性変形を抑制し、スラスト軸受隙間を適正に管理する。
【解決手段】 底部７ｂの下側端面７ｄにおける内径領域７ｅおよび外径領域７ｆにそれぞれ対応した成形面１１ａ、１１ｂを設けた成形金型１０で有底円筒状のハウジング７を射出成形することで、成形品としてのハウジング７の底部７ｂにおける下側端面７ｄが、軸方向の段差を有する段部７ｄ１によって内径領域７ｅと外径領域７ｆとに分割され、分割された両領域７ｅ、７ｆがそれぞれヒケの発生箇所となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、軸受隙間に生じる流体の潤滑膜によって軸部材を非接触支持する流体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流体軸受の使用が検討され、あるいは実際に使用されている。

この種の流体軸受は、軸受隙間内の潤滑油に動圧を発生させる動圧発生部を備えた動圧軸受と、動圧発生部を備えていない、いわゆる真円軸受（軸受面が真円形状である軸受）とに大別される。

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み込まれる流体軸受装置では、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スラスト方向に支持するスラスト軸受部の双方を動圧軸受で構成する場合がある。この種の流体軸受装置におけるラジアル軸受部としては、軸受スリーブの内周面と、これに対向する軸部材の外周面との何れか一方に、動圧発生部としての動圧溝を形成すると共に、両面間にラジアル軸受隙間を形成するものが知られている。また、スラスト軸受部としては、軸部材のフランジ部端面と、これに対向する面、例えばハウジングの底部の内側端面との何れか一方に動圧溝を形成すると共に、両端面間にスラスト軸受隙間を形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、この種のスピンドルモータでは、磁気ディスク等のディスク状情報記録媒体（以下、単にディスクという。）を保持して、モータのスピンドル（例えば軸部材）と一体に回転させるためのディスクハブが設けられる場合がある。ディスクハブは、例えば軸部材の一端に圧入等の手段により固定される（例えば、特許文献２参照）。

この種の流体軸受装置は、ハウジング、軸受スリーブ、軸部材といった部品で構成され、情報機器の益々の高性能化に伴って必要とされる高い軸受性能を確保すべく、各部品の加工精度や組立精度を高める努力がなされている。その一方で、情報機器の低価格化の傾向に伴い、流体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。
特開２００３−２３９９５１号公報 特開２０００−２３５７６６号公報

流体軸受装置の低コスト化を図る一手段として、ハウジングを樹脂材料で成形（射出成形）することが考えられる。樹脂の射出成形では、成形金型のキャビティーに溶融状態の樹脂を充填するためのゲートを設け、このゲートから溶融樹脂をキャビティー内に射出する。そして、キャビティー内の溶融樹脂が冷却されて固化した後、成形金型の型開きを行うことで、成形品（ハウジング）が取り出される。

ところが、キャビティー内の溶融樹脂を冷却固化する際、金型表面と内部間での冷却固化に伴う収縮速度差が原因で、成形品表面にヒケと呼ばれる窪みが発生する場合がある。この種の窪み（ヒケ）は、成形品が例えば有底円筒状のハウジングである場合、底部の外側端面に発生することが多い。

このヒケは、例えば流体軸受装置をＨＤＤ用のスピンドルモータに使用する場合において、ディスクハブを軸部材の一端に圧入固定する際に問題となる。すなわち、軸部材へのディスクハブの圧入時、軸部材には軸方向の圧入力が作用し、軸部材の他方の端面、例えば図６（ａ）に示すように、フランジ部２２ｂの端面が、これと対向するハウジング２７の底部２７ａの内側端面２７ｃを押圧する。このとき、底部２７ａの外側端面２７ｂにヒケが存在すると、図６（ｂ）に示すように、ヒケの軸方向窪み量（図６（ａ）中Ｓ０で示す幅）の分だけ底部２７ａが外側端面２７ｂ側に変形する。圧入作業の終了と共に軸方向への圧入力は解除され、図６（ｃ）に示すように、底部２７ａは弾性復元するが、軸方向へのヒケ幅が大きいと、一部に塑性変形を生じ、完全に元の位置まで戻らない。そのため、底部２７ａの塑性変形量に応じて内側端面２７ｃが変形し、底部２７ａの内側端面２７ｃとこれに対向するフランジ部２２ｂの端面との間のスラスト軸受隙間を適正に管理することが困難となる可能性がある。

本発明の課題は、この種の流体軸受装置におけるハウジングの底部の塑性変形を抑制し、スラスト軸受隙間を適正に管理することである。

前記課題を解決するため、本発明に係る流体軸受装置は、ラジアル軸受隙間に生じる流体の潤滑膜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、軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部を収容し、筒部および底部を樹脂で一体成形してなるハウジングとを備え、ハウジング底部の内側端面がスラスト軸受部におけるスラスト荷重を支持するものにおいて、ハウジング底部の外側端面が、それぞれヒケの発生箇所となる複数の領域に段差でもって分割されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、底部の外側端面に発生するヒケが、段差をもって分割された複数の領域にそれぞれ発生するので、底部の外側端面全域に対して単一のヒケが発生する場合と比べて個々のヒケ量を小さく抑えることができる。そのため、ディスクハブの圧入時における、ハウジング底部の軸方向変形量が弾性範囲内に減じられ、あるいは一部塑性変形を伴った場合でも、その量は僅かとなる。これにより、底部の内側端面の変形を防ぎ、スラスト軸受隙間に悪影響を及ぼすのを回避することができる。

ハウジング底部の外側端面を分割する手段としては、例えば段差を介して内径領域と外径領域とに区分する方法が考えられる。この場合には、例えば底部の外側端面に対応する面に段差を設けた型を使用してハウジングを射出成形することで、成形品における底部の外側端面が内径領域と外径領域とに分割され、分割された両領域にそれぞれヒケを発生させることが可能となる。また、外側端面に段差を設ける場合には、外径領域を内径領域に比べて筒部側に後退させた形状とすることができる。この場合には、成形面の外径領域を、内径領域に対して筒部側に接近させた型を使用して成形を行えばよい。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る流体軸受装置は、ラジアル軸受隙間に生じる流体の潤滑膜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、軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部を収容し、筒部および底部を樹脂で一体成形してなるハウジングとを備え、ハウジング底部の内側端面がスラスト軸受部におけるスラスト荷重を支持するものにおいて、ハウジング底部の外側端面の外径側領域が除去加工されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、ヒケの立ち上がり部分を含む外径側領域が除去されるので、成形時に発生したヒケ量、特に軸方向のヒケ幅を小さく抑えることができ、これによっても、ディスクハブの圧入時における、ハウジング底部の軸方向変形量を弾性範囲内に抑えることができる。

上記流体軸受装置は、流体軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイルとを備えたモータとして提供することが可能である。

このように、本発明によれば、この種の流体軸受装置におけるハウジングの底部の塑性変形を抑制し、スラスト軸受隙間を適正に管理することができる。

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、本発明の一実施形態に係る流体軸受装置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流体軸受装置１と、軸部材２に固定されたディスクハブ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、ブラケット６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。また、ブラケット６は、その内周に流体軸受装置１を装着している。ディスクハブ３は、その外周にディスクＤを一枚または複数枚保持している。このように構成された情報機器用スピンドルモータにおいて、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との間の磁力でロータマグネット５が回転し、これに伴って、ディスクハブ３およびディスクハブ３に保持されたディスクＤが軸部材２と一体に回転する。

図２は、流体軸受装置１を示している。この流体軸受装置１は、筒部７ａおよび底部７ｂを一体に有するハウジング７と、ハウジング７の内部に固定された軸受スリーブ８と、軸受スリーブ８の内周に挿入された軸部材２とを主な構成部品として構成される。なお、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以下説明を行う。

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、金属材料と樹脂材料とのハイブリッド構造とされ、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体または別体に設けられたフランジ部２ｂ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焼結金属の多孔質体で円筒状に形成され、後述するハウジング７内周の所定位置に固定される。

軸受スリーブ８の内周面８ａの全面又は一部筒状領域には動圧発生部としての動圧溝が形成される。この実施形態では、例えば図示は省略するが、動圧発生部として、へリングボーン形状の動圧溝が軸方向に離隔して２箇所形成される。

軸受スリーブ８の下側端面８ｂの全面又は一部環状領域には、図示は省略するが、動圧発生部として、例えばスパイラル形状の動圧溝が形成される。

ハウジング７は、ＬＣＰやＰＰＳ、ＰＥＥＫ等をベース樹脂とする樹脂組成物で射出成形され、例えば図２に示すように、筒部７ａと、筒部７ａの下端に一体に形成された底部７ｂとで構成される。底部７ｂの上側端面７ｃの環状領域には、スラスト動圧発生部として、例えば図示は省略するが、スパイラル状の動圧溝が形成される。

底部７ｂの下側端面７ｄには、軸方向に所定の段差を有する段部７ｄ１が設けられ、この段部７ｄ１を介して下側端面７ｄが内径領域７ｅと外径領域７ｆとに分割される。このうち、外径領域７ｆは、その軸方向位置を、内径側の領域７ｅに比べて筒部７ａ側に後退させた状態で全周に亘って形成される。また、上側端面７ｃの上方には、軸受スリーブ８の下側端面８ｂと係合して、軸受スリーブ８の軸方向位置決めを行う係合部７ｇが形成される。

ハウジング７を構成する上記樹脂組成物には、例えば、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状充填材、マイカ等の鱗片状充填材、カーボン繊維、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノマテリアル、各種金属粉等の繊維状または粉末状の導電性充填材を、目的に応じて適量配合することができる。

上記ハウジング７は、例えば以下に示す工程を経て製造される。

図３は、上記ハウジング７の成形工程を概念的に示している。この工程で使用される成形金型１０は、固定型１１と可動型１２とで構成され、ランナー１０ａ、点状ゲート１０ｂ、およびキャビティー１０ｃを備えている。この実施形態では、例えば固定型１１の側に、下側端面７ｄの内径領域７ｅおよび外径領域７ｆにそれぞれ対応した成形面１１ａ、１１ｂが形成される。なお、点状ゲート１０ｂは、キャビティー１０ｃの、ハウジング底部７ｂの下側端面７ｄ（図３では成形面１１ａ）の軸心に対応する位置に形成され、そのゲート面積は、溶融樹脂の溶融時の粘度や射出速度を考慮して適正な大きさに設定される。

図示されない射出成形機のノズルから射出された溶融樹脂は、成形金型１０のランナー１０ａ、点状ゲート１０ｂを通ってキャビティー１０ｃ内に充填される。このように、点状ゲート１０ｂからキャビティー１０ｃ内に溶融樹脂を（図３中矢印の方向に）充填することにより、溶融樹脂がキャビティー１０ｃの半径方向（主に底部７ｂ対応領域）および軸方向（主に筒部７ａ対応領域）に均一に充填される。キャビティー１０ｃ内に充填された溶融樹脂が固化した後、成形金型１０を型開きして成形したハウジング７を取り出す。これにより、ウェルドの発生を回避することができ、高い寸法精度を有するハウジング７が得られる。

図４は、成形品としてのハウジング７の底部７ｂに発生したヒケを概念的に示す図である。なお、ヒケの軸方向量（ヒケ幅）は、底部７ｂの肉厚に比べて微小であるが、同図中では、理解の容易化のためヒケの軸方向寸法を誇張して描いている。

成形品としてのハウジング７の底部７ｂの下側端面７ｄには、図４に示すように、内径領域７ｅと外径領域７ｆのそれぞれでヒケが発生する。そのため、内径領域７ｅに生じたヒケの軸方向ヒケ幅Ｓ２は、底部７ｂの下側端面７ｄ全体をフラットな金型で成形した場合に生じるヒケの軸方向ヒケ幅Ｓ０（図６（ａ）参照）に比べて小さい。これにより、ディスクハブ３の軸部材２上端への圧入時、軸部材２による押圧力で底部７ｂが固定端面側に変形する量は（Ｓ０−Ｓ２）分だけ減じられる。従って、底部７ｂの軸方向への変形は弾性範囲内に抑えられ、あるいは一部塑性変形を伴った場合でも、その量は僅かとなり、上側端面７ｃがほとんど変形することはない。

ヒケのサイズは、下側端面７ｄを内径領域７ｅと外径領域７ｆとに分割する段部７ｄ１の成形位置やその軸方向寸法に大きく影響を受ける。すなわち、段部７ｄ１を極端に外径側に寄せて形成する場合、ヒケを内径領域７ｅと外径領域７ｆとにそれぞれ発生させるのが困難となり、ヒケの小サイズ化が不十分となる。また、段部７ｄ１を極端に内径側に寄せて形成する場合には、ヒケを内径領域７ｅと外径領域７ｆとにそれぞれ発生させるのが困難となる。両領域７ｅ、７ｆにそれぞれヒケが発生する場合でも、内径領域７ｅのうち、ヒケの発生領域と段部７ｄ１との間のフラットな環状領域（図４中底部７ｂの最下面をなす環状領域）が内径側に移動し、その面積が小さくなる。そのため、ハウジング７（流体軸受装置１）の接地バランスが低下し、ディスクハブ３の圧入時、ハウジング７の姿勢を安定して維持するのが難しい。段部７ｄ１の軸方向段差についても同様に、大きすぎると、ディスクハブ３の圧入時、ハウジング７の姿勢維持が困難となり、小さすぎると、ヒケを内径領域７ｅと外径領域７ｆとにそれぞれ発生させるのが困難となる。

以上の観点から、段部７ｄ１の径方向位置や軸方向段差、言い換えれば、成形金型１０の、外径領域７ｆに対応する成形面１１ｂの径方向寸法ｄや軸方向段差ｂ（図３参照）を適切に設定することが好ましい。成形後のハウジング７でいえば、例えばハウジング７の軸心から外径側に、フランジ部２ｂの半径分±２０％の範囲内、より好ましくは±１０％の範囲内に段部７ｄ１の内径側端部が位置するように、成形面１１ｂの径方向寸法ｄを設定するのが好ましい。また、外径領域７ｆの軸方向形成位置が、例えば底部７ｂの最下面位置から上方に、底部７ｂの肉厚分×０．１±２０％の範囲内、より好ましくは±１０％の範囲内に収まるように、成形金型１０の軸方向段差ｂを設定するのが好ましい。

上述の如く製造したハウジング７の内周に、軸部材２および軸受スリーブ８を挿入し、軸受スリーブ８を、係合部７ｇにより軸受スリーブ８の軸方向の位置決めを行った上でハウジング７の内周に固定する。そして、シール部材９をハウジング７の筒部７ａの上端内周に固定する。その後、ハウジング７の内部空間に潤滑油を充満させることで、流体軸受装置１の組立が完了する。このとき、シール部材９で密封されたハウジング７の内部空間に充満した潤滑油の油面は、シール部材９の内周に設けられたテーパ面９ａと、軸部材２の軸部２ａの外周面２ａ１との間に形成されたシール空間Ｓの範囲内に維持される。

上述のように構成された流体軸受装置１において、軸部材２を回転させると、軸受スリーブ８の内周面８ａの動圧溝の形成領域（上下２箇所）と、これら動圧溝の形成領域にそれぞれ対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間のラジアル軸受隙間に、潤滑油の動圧作用による圧力が発生し、軸部材２の軸部２ａが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とが形成される。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｂに形成される動圧溝領域と、この動圧溝領域に対向するフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間のスラスト軸受隙間、および底部７ｂの上側端面７ｃに形成される動圧溝領域と、この動圧溝領域と対向するフランジ部２ｂの下側端面２ｂ２との間のスラスト軸受隙間に、潤滑油の動圧作用による圧力がそれぞれ発生し、軸部材２のフランジ部２ｂが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Ｔ１と第２スラスト軸受部Ｔ２とが形成される。

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。

以上の実施形態では、ハウジング７の成形金型１０に、底部７ｂの内径領域７ｅおよび外径領域７ｆに対応する成形面１１ａ、１１ｂを形成し、下側端面７ｄの複数箇所（内径領域７ｅと外径領域７ｆ）にヒケを形成した場合を説明したが、これ以外の方法を採ることも可能である。例えば図５に示すように、ハウジング１７の成形後、底部１７ｂの外側端面１７ｄの外径側領域１７ｅ（同図中クロスハッチングで示す領域）を例えば機械加工等で除去することによっても、軸方向のヒケ幅を小さく（図５中Ｓ３→Ｓ４）することができる。この場合には、外径側領域１７ｅ除去後に所望の底部１７ｂの肉厚を確保できるよう、成形の段階で、予め除去する外径側領域１７ｅ分を考慮して肉厚に成形しておくのがよい。

また、以上の実施形態では、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２およびスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２を構成する動圧軸受として、例えばへリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝からなる動圧発生部を用いた軸受を例示しているが、動圧発生部の構成はこれに限定されるものではない。ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、例えば、円周方向複数箇所で、ラジアル軸受隙間を円周方向の一方又は双方にくさび状に縮小させた形状とした、いわゆる多円弧軸受、軸方向に延びた動圧溝を円周方向の複数箇所に形成した、いわゆるステップ軸受で構成することもできる。また、スラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２として、例えば、円周方向複数箇所で、スラスト軸受隙間を円周方向の一方又は双方にくさび状に縮小させた形状とした構成のものを採用することもできる。

また、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２やスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２を動圧軸受以外の軸受で構成することもでき、例えばスラスト軸受部としてピボット軸受が、ラジアル軸受部として真円軸受が使用可能である。

また、以上の実施形態では、流体軸受装置１の内部に充満し、軸受スリーブ８と軸部材２との間のラジアル軸受隙間や、軸受スリーブ８およびハウジング７と軸部材２との間のスラスト軸受隙間に潤滑膜を形成する流体として、潤滑油を例示したが、それ以外にも各軸受隙間に潤滑膜を形成可能な流体、例えば空気等の気体や、磁性流体等の流動性を有する潤滑剤を使用することもできる。

本発明の一実施形態に係る流体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。 流体軸受装置の断面図である。 ハウジングの射出成形を概念的に示す断面図である。 成形前後におけるハウジングの底部周辺を概念的に示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係るハウジングの底部周辺を示す断面図である。 （ａ）は従来の流体軸受装置におけるハウジングの底部周辺を概念的に示す断面図、（ｂ）は下方への負荷が作用した場合のハウジングの底部周辺を示す断面図、（ｃ）は除荷後のハウジングの底部周辺を示す断面図である。

符号の説明

１ 動圧軸受装置
２ 軸部材
２ｂ フランジ部
２ｂ１ 上側端面
２ｂ２ 下側端面
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 ブラケット
７、１７ ハウジング
７ｂ、１７ｂ 底部
７ｃ、１７ｃ 内側端面
７ｄ、１７ｄ 外側端面
７ｅ 内径領域
７ｆ 外径領域
７ｇ 係合部
８ 軸受スリーブ
９ シール部材
１０ 成形金型
１１ 固定型
１１ａ、１１ｂ 成形面
１２ 可動型
Ｓ０、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 軸方向ヒケ幅
Ｓ１ 弾性復元量
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部

Claims (5)

1. ラジアル軸受隙間に生じる流体の潤滑膜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、軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部を収容し、筒部および底部を樹脂で一体成形してなるハウジングとを備え、ハウジング底部の内側端面がスラスト軸受部におけるスラスト荷重を支持する流体軸受装置において、
   ハウジング底部の外側端面が、それぞれヒケの発生箇所となる複数の領域に段差でもって分割されていることを特徴とする流体軸受装置。
2. 外側端面が、段差を介して内径領域および外径領域に区分されている請求項１記載の流体軸受装置。
3. 外径領域が内径領域に比べて筒部側に後退している請求項２記載の流体軸受装置。
4. ラジアル軸受隙間に生じる流体の潤滑膜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、軸部材をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ラジアル軸受部およびスラスト軸受部を収容し、筒部および底部を樹脂で一体成形してなるハウジングとを備え、ハウジング底部の内側端面がスラスト軸受部におけるスラスト荷重を支持する流体軸受装置において、
   ハウジング底部の外側端面の外径側領域が除去加工されていることを特徴とする流体軸受装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の流体軸受装置と、ロータマグネットと、ステータコイルとを備えたモータ。

Images