JP2007064360A - 流体軸受装置、それを用いたスピンドルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 循環機構を備えた流体軸受装置において、油温の変化によるシャフトの浮上量の変動を抑制し、シャフトの回転精度を向上させる。
【解決手段】 流体軸受装置４０は、ベースプレート２０に固定されたスリーブ４２と、ロータ３０に固定されスリーブ４２の内周側に相対回転自在に設けられたシャフト４１と、スリーブ４２の端部に固定されたシールプレート４４と、スリーブ４２、シャフト４１およびシールプレート４４の間に形成された軸受空間６０と、軸受空間６０に充填された潤滑油４６と、スリーブ４２内周面およびシャフト４１外周面のいずれか一方に形成される動圧発生用溝４１ａ、４１ｂを有し、更に循環機構５０と循環制御部５２を有している。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体軸受装置、特に潤滑油の循環機構を備えた流体軸受装置およびそれを用いたスピンドルモータに関する。

近年、ディスク等を用いた記録装置等はそのメモリー容量が増大し、またデータの転送速度が高速化しているため、この種の記録装置に用いられるディスク回転装置等は高速、高精度回転が必要となり、その回転主軸部には流体軸受装置が用いられている。
従来の流体軸受装置は、筒状のスリーブと、スリーブの内周側に相対回転自在に配置されたシャフトと、スリーブおよびシャフトの間に形成され潤滑流体としての潤滑油が充填された軸受空間と、軸受空間内に設けられスリーブおよびシャフトのいずれか一方に形成された少なくとも１つの第１動圧発生用溝を有するラジアル軸受部と、シャフトに固定されたスラスト部材であるスラストフランジと、スラストフランジに形成された複数の第２動圧発生用溝を有するスラスト軸受部とを備えている。
この流体軸受装置では、スラスト軸受部で発生する動圧によりシャフトの浮上力を得ている。また、ラジアル軸受部は、半径方向に動圧力を発生させるとともに、周辺の潤滑油をスラスト軸受部側へ押し込む、いわゆるポンピング力を発生させる。このポンピング力により、スラストフランジ周辺の圧力が高くなる。スラストフランジ下面は、スラストフランジ上面よりもシャフトの断面積だけ面積が大きい。そのため、スラストフランジ周辺の圧力が高くなると、スラストフランジ上面および下面の面積差により軸方向上側の力が生じシャフトの浮上力が大きくなる。この結果、ラジアル軸受部のポンピング作用がない場合に比べて、シャフトの浮上量を大きく、そしてより安定したものとすることができる。

しかし、スラスト軸受で発生する動圧およびラジアル軸受のポンピング力は、潤滑油の粘性により変動する。一般的に潤滑油等の潤滑流体の粘性は、潤滑流体の温度により変化する。すなわち、ポンピング力は潤滑流体の温度により変動する。図８に油温（潤滑流体の温度）とスラスト軸受で発生する動圧（浮上力）との関係、図９に油温（潤滑流体の温度）とラジアル軸受のポンピング力との関係を示す。図８および図９は、スリーブおよびシャフトのラジアル隙間が２．０〔μｍ〕、２．５〔μｍ〕、３．０〔μｍ〕の場合であってスリーブが後述する循環孔（連通孔）を有していない場合の計算結果である。図８および図９に示すように、スラスト軸受で発生する動圧およびラジアル軸受のポンピング力は、油温が上昇すると小さくなる。これは、流体軸受装置に用いられる油温の上昇により潤滑油が低粘度になる特性を有しており、そして動圧およびラジアル軸受部のポンピング力が潤滑油の粘度の低下により小さくなる傾向を有しているためである。したがって、この流体軸受装置では、油温が上昇するとシャフトの浮上量は小さくなり、油温が低下するとシャフトの浮上量は大きくなる。このように、従来の流体軸受装置では油温によりシャフトの浮上量が変動する。
そこで、シャフトの浮上量の変動を防止するために、循環孔を備えている流体軸受装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００３−２４７５４７号公報

特許文献１に記載の流体軸受装置は、有底円筒状のスリーブと、スリーブの内周側に相対回転自在に配置されたシャフトと、スリーブおよびシャフトの間に形成された軸受空間と、軸受空間内に設けられスリーブおよびシャフトのいずれか一方に形成された複数の第１動圧発生用溝を有するラジアル軸受部と、スリーブの内周に軸方向に沿って設けられた潤滑油溜まりと、潤滑油溜まりを連結する潤滑油の循環部とを備えている。この場合、循環孔により大気圧とスリーブの底部周辺の圧力とがほぼ等しくなる。そのため、ラジアル軸受部でポンピング力が発生するにも関わらずスリーブの底部周辺の圧力が大気圧よりも高くならず、ポンピング作用がシャフトの浮上力に影響しない。すなわち、スラスト軸受部で発生する動圧のみが油温により変動するため、循環孔を備えていない場合に比べてシャフトの浮上量の変動を小さくすることができる。
以上に述べた循環機構付き流体軸受装置では、シャフトの浮上量の変動を小さくすることができるが、油温が高い場合はシャフトの浮上量が小さくなることを避けられない。この結果、シャフトと周辺部材とが接触しやすくなり、軸受の破損を引き起こすおそれがある。
本発明の課題は、循環機構を備えた流体軸受装置において、油温の変化によるシャフトの浮上量の変動を抑制し、シャフトの回転精度を向上させることにある。

請求項１に記載の流体軸受装置は、静止部材に対して回転部材を回転可能に支持するための流体軸受装置であって、静止部材に固定されたスリーブと、回転部材に固定されスリーブの内周側に相対回転自在に設けられたシャフトと、スリーブの端部に固定されたシールプレートと、スリーブ、シャフトおよびシールプレートの間に形成された軸受空間と、軸受空間に充填された潤滑流体と、スリーブ内周面およびシャフト外周面のいずれか一方に形成されスリーブおよびシャフトの相対回転により半径方向の動圧力および軸方向のポンピング力を発生させるための少なくとも１つの第１動圧発生用溝とを有するラジアル軸受部と、ラジアル軸受部のポンピング力により軸受空間の軸方向シールプレート側へ押し込まれた潤滑流体を軸受空間の軸方向シールプレートと反対側へ循環させるための循環機構とを備えている。循環機構は、軸受空間の軸方向一方側と他方側とを連結するスリーブに形成された少なくとも１つの連通孔と、潤滑流体の温度の変化に応じて連通孔の流路断面積を制御するための循環制御部とを有している。
この流体軸受装置では、循環機構が循環制御部を有しているため、例えば潤滑流体の温度が上昇した場合に連通孔の流路断面積を小さくすることができる。流路断面積を小さくすると、潤滑流体が循環することで循環制御部において圧力損失が生じる。循環制御部の二次側である軸受空間の軸方向他方側の圧力は大気圧とほぼ等しいため、軸受空間の軸方向一方側の圧力を圧力損失の分だけ大気圧よりも高く保つことができる。この結果、潤滑流体の粘性が低下しラジアル軸受のポンピング力が低下した場合であっても、軸受空間の軸方向一方側の圧力を高く保つことができ、シャフトの浮上量を確保することができる。

また、この流体軸受装置では、例えば潤滑流体の温度が低下した場合に連通孔の流路断面積を大きくすることができる。この場合、循環制御部において圧力損失はほとんど生じないため、軸受空間の軸方向一方側および他方側の圧力は大気圧にほぼ等しくなる。この結果、潤滑流体の温度が低くなり潤滑流体の粘性が高くなった場合であっても、シャフトの浮上量が必要以上に大きくならない。以上に述べたように、この流体軸受装置では、潤滑流体の温度の変化によるシャフトの浮上量の変動を抑制することができ、シャフトの回転精度を向上させることができる。 請求項２に記載の流体軸受装置は、請求項１において、循環制御部が連通孔内に設けられた少なくとも１つの制御部材を有している。
この流体軸受装置では、循環制御部が制御部材を有しているため、制御部材の材料として線膨張係数（または熱膨張係数）の大きい材料を選定することで、潤滑流体の温度の変化に応じて制御部材の体積を大きく変化させることができ、連通孔の流路断面積を変化させることができる。また、循環制御部を簡単な構造により実現することができる。
請求項３に記載の流体軸受装置は、請求項２において、制御部材が球状の部材である。
この流体軸受装置では、制御部材が球状の部材であるため、循環制御部を簡単な構造により実現することができる。

請求項４に記載の流体軸受装置は、請求項２において、制御部材が円柱状の部材である。
この流体軸受装置では、制御部材が円柱状の部材であるため、循環制御部を簡単な構造により実現することができる。
請求項５に記載の流体軸受装置は、請求項２から４のいずれかにおいて、制御部材の線膨張係数が５．０×１０^-5〔１／Ｋ〕以上である。
この流体軸受装置では、制御部材の線膨張係数が上記のように比較的高い範囲であるため、潤滑流体の温度とともに制御部材の温度が上昇した場合に制御部材の熱膨張により連通孔の流路断面積を小さくすることができる。この結果、潤滑流体の粘性が低下しラジアル軸受のポンピング力が低下した場合であっても、軸受空間内の圧力を高く保つことでシャフトの浮上量を安定させることができる。
請求項６に記載の流体軸受装置は、請求項２において、制御部材が弾性率が比較的高い中空の球状部材からなる第１部材と、第１部材の内部に封入された液体または気体からなる第２部材とを有している。
この流体軸受装置では、第２部材が熱膨張すると第１部材が第２部材とともに延び、第１および第２部材の体積が増加する。したがって、熱膨張係数が大きい液体または気体材料を第２部材として選定することで、線膨張係数が大きい固体材料を選定した場合と同等の効果を得ることができる。

請求項７に記載の流体軸受装置は、請求項６において、第２部材の熱膨張係数が１．３×１０^-3〔１／Ｋ〕以上である。
この流体軸受装置では、第２部材の熱膨張係数が上記のように比較的高い範囲であるため、潤滑流体の温度とともに制御部材の温度が上昇した場合に第２部材の熱膨張により連通孔の流路断面積を小さくすることができる。この結果、潤滑流体の粘性が低下しラジアル軸受のポンピング力が低下した場合であっても、軸受空間内の圧力を高く保つことでシャフトの浮上量を確保することができる。
請求項８に記載の流体軸受装置は、請求項１から７のいずれかにおいて、第１動圧発生用溝が軸方向に対して傾斜する第１溝部と、第１溝部の端部から軸方向に対して第１溝部と反対側に傾斜する第２溝部とから構成されている。第１溝部の軸方向長さは、第２溝部の軸方向長さよりも長い。
この流体軸受装置では、第１溝部の軸方向長さが第２溝部の軸方向長さよりも長いため、ラジアル軸受部により確実にポンピング力を発生させることができる。
請求項９に記載の流体軸受装置は、請求項１から８のいずれかにおいて、シャフトに固定もしくは一体に形成されシールプレートと軸方向に対向するスラスト部材と、軸受空間内に設けられスラスト部材、シールプレートおよびスリーブの少なくともいずれか１つに形成された第２動圧発生用溝を有するスラスト軸受部とをさらに備えている。軸受空間は、スリーブおよびシャフトの間に形成された第１の軸受空間と、スラスト部材、シールプレートおよびスリーブの間に形成され第１の軸受空間の軸方向一方側と連通する第２の軸受空間とを有している。循環機構は、第２の軸受空間と第１の軸受空間の軸方向他方側とを連結している。

この流体軸受装置では、潤滑流体の温度の上昇によりスラスト軸受部で発生する動圧が小さくなっても、循環制御部により連通孔の流路断面積を小さくすることでスラスト軸受部周辺の圧力を高く保つことができる。この結果、潤滑流体の温度が高い場合においてラジアル軸受のポンピング力によりシャフトの浮上量を確保することができる。
請求項１０に記載の流体軸受装置は、請求項１から９のいずれかにおいて、スリーブの軸方向他方側に固定された環状のカバー部材をさらに備えている。循環機構は、スリーブおよびカバー部材の間に形成され軸受空間と連通する第３の軸受空間とをさらに有している。
請求項１１に記載の流体軸受装置は、請求項１０において、第３の軸受空間が第１の軸受空間と連通している。
この流体軸受装置では、第３の軸受空間が第１の軸受空間と連通しているため、潤滑流体内に空気が混入した場合に第３の軸受空間に空気を溜めることができ、潤滑流体に混入した空気を除去することができる。
請求項１２に記載の流体軸受装置は、請求項１０または１１において、カバー部材が第３の軸受空間内の空気を排気するための少なくとも１つの排気孔を有している。

この流体軸受装置では、第３の軸受空間に溜まった余剰空気を排気孔から排気することができ、潤滑流体に混入した空気をより確実に除去することができる。
請求項１３に記載のスピンドルモータは、静止部材としてのハウジングと、ハウジングに固定されステータコイルが巻回される環状のステータと、ステータの内周側に収容されロータマグネットを有する回転部材としてのロータと、ハウジング対してロータを回転自在に支持するための請求項１から１２のいずれかに記載の流体軸受装置とを備えている。
このスピンドルモータでは、請求項１から１２のいずれかに記載の流体軸受装置を備えているため、流体軸受装置において潤滑流体の温度の変化によるシャフトの浮上量の変動を抑制することができ、ロータの回転精度を向上させることができる。

本発明に係る流体軸受装置では、循環機構が循環制御部を有しているため、油温の変化によるシャフトの浮上量の変動を抑制することができ、シャフトの回転精度を向上させることができる。

本発明の各実施形態を図１から図９を参照しながら説明する。異なる実施形態において同じ符号を付している場合は、それらが同じ構成であることを意味している。
図１に、本発明の一実施形態としてのスピンドルモータ１の縦断面概略図を示す。図１に示すＯ−Ｏは、スピンドルモータ１の回転軸線である。本実施形態の説明では、便宜上、図面の上下方向を「軸方向上側」、「軸方向下側」等と表現するが、スピンドルモータ１の実際の取り付け状態を限定するものではない。また、各請求項で用いている「軸方向一方側」および「軸方向他方側」は、それぞれ「軸方向下側」および「軸方向上側」として記載する
スピンドルモータ１は主に、ベースプレート２（静止部材）と、ロータ３（回転部材）と、流体軸受装置４とから構成されている。以下に、各部の詳細について説明する。
ベースプレート２は、スピンドルモータ１の静止側の部分を構成しており、例えば記録ディスク装置のハウジングに固定されている。ベースプレート２は、ブラケット部２１を有し、ステータ２２が装着されている。ブラケット部２１は、ベースプレート２の主要部を構成する環状の部材であり、内周側に軸方向上側に延びる筒状部２１ａを有している。ステータ２２は、磁気回路を構成するためのもので、筒状部２１ａの外周側に固定されている。筒状部２１ａの内周側には、後述する流体軸受装置４が固定されている。

ロータ３は、磁気回路部で発生する回転力により回転駆動される部分であり、ロータハブ３１と、ディスク載置部３２と、ロータマグネット３４とから構成されている。ロータハブ３１は、ロータ３の主要部を構成する円板状の部分であり、後述するシャフト４１と締結されている。ディスク載置部３２は、記録ディスクを載置するためのものであり、ロータハブ３１の外周側かつ軸方向下側に配置されている。本実施形態では、ロータハブ３１とディスク載置部３２とは一体成形されている。
ロータマグネット３４は、前述のステータ２２と半径方向に対向して配置されている。ロータマグネット３４とステータ２２とにより、ロータを回転駆動するための磁気回路部が構成されている。ステータ２２のコイルに通電することでロータマグネット３４に回転力が発生し、ロータ３が回転駆動される。
図２に流体軸受装置４の縦断面概略図を示す。流体軸受装置４は、ベースプレート２に対してロータ３を回転自在に支持するためのもので、スリーブ４２と、シャフト４１と、シールプレート４４と、スラストフランジ４３（スラスト部材）と、カバー部材４５と、循環機構５とから構成されている。
スリーブ４２は、流体軸受装置４の静止側の部材であり、ベースプレート２の筒状部２１ａの内周側に挿嵌された筒状の部材である。スリーブ４２は、さらにスリーブ本体４２ａと、筒状突出部４２ｂと、凹部４２ｃと、固定部４２ｄと、少なくとも１つの第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂとを有している。スリーブ本体４２ａは、スリーブ４２の主要部を構成する筒状の部分である。スリーブ本体４２ａの内周面には、第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂが成形されている。第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂは、例えばヘリングボーン状の溝であり、円周方向に均等に配置されている。本実施形態では、第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂは軸方向に並設されている。また第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂは、軸方向上側および下側の長さが異なっている。具体的には図２に示すように、Ｌ１＞Ｌ２、Ｌ３＞Ｌ４となっている。これを動圧溝の非対称性という。動圧溝の非対称性は、第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂのどちらか一方でもよく、第１動圧発生用溝７１ａを非対称（Ｌ１＞Ｌ２）にして第１動圧発生用溝７１ｂを対称（Ｌ３＝Ｌ４）にする場合が多い。この動圧溝の非対称性により、ラジアル軸受部７１にて軸方向のポンピング力を発生させることができる。

筒状突出部４２ｂは、スリーブ本体４２ａの端部から軸方向に突出する環状の部分である。凹部４２ｃは、スリーブ本体４２ａの内周側に形成された環状の空間であり、第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂの軸方向間に配置されている。固定部４２ｄは、筒状突出部４２ｂの端部から軸方向に突出する環状の部分である。固定部４２ｄと筒状突出部４２ｂとの間には、後述するシールプレート４４の外周部が挟み込まれており、スリーブ４２とシールプレート４４とがシールされた状態で固定されている。また、スリーブ４２の軸方向上側の端部には、環状のカバー部材４５が固定されている。カバー部材４５は、軸方向上側に後述する第３油室６３と軸受外部とを連通する少なくとも１つの排気孔４５ａを有している。
シャフト４１は、流体軸受装置４の回転側の部材であり、スリーブ４２の内周側に配置された軸状の部材である。シャフト４１の端部には、前述のロータハブ３１が接着等により固定されている。なお、前述の第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂは、スリーブ４２の内周面ではなくシャフト４１の外周面に成形されていてもよい。
スラストフランジ４３は、流体軸受装置４の回転側の部材であり、シャフト４１の端部に固定されている。スラストフランジ４３は、スリーブ４２の筒状突出部４２ｂの内周側に配置されている。具体的には、スラストフランジ４３は、スリーブ４２とシールプレート４４との間に形成された空間に微小隙間を介して配置されている。スラストフランジ４３は、シールプレート４４およびスリーブ４２と軸方向に対向する面に、複数の第２動圧発生用溝７２ａ、７２ｂを有している。第２動圧発生用溝７２ａ、７２ｂは、例えばスパイラル形状やヘリングボーン形状を有している。

流体軸受装置４は、潤滑油４６が充填されている複数の油室を備えている。具体的には、シャフト４１、スリーブ４２、シールプレート４４およびスラストフランジ４３の間には、軸受空間６が形成されている。具体的には、軸受空間６は、第１の軸受空間である第１油室６１と、第２の軸受空間である第２油室６２とから構成されている。第１油室６１は、主にシャフト４１とスリーブ４２との間に形成された空間であり、シャフト４１とカバー部材４５との半径方向間に形成された空間も含んでいる。第２油室６２は、スリーブ４２、シールプレート４４およびスラストフランジ４３の間に形成された空間である。第２油室６２は、第１油室６１の軸方向下側（軸方向一方側）と連通している。潤滑油４６は第１油室６１および第２油室６２に充填されており、第１油室６１はカバー部材４５の周辺まで潤滑油４６で満たされている。
以上に述べたように、この流体軸受装置４では、第１動圧発生用溝７１ａ、７１ｂを有するシャフト４１、スリーブ４２およびその間に介在する潤滑油４６により、ロータ３を軸方向に支持するラジアル軸受部７１が構成されている。また、第２動圧発生用溝７２ａ、７２ｂを有するスラストフランジ４３、スリーブ４２、シールプレート４４およびその間に介在する潤滑油４６により、ロータ３を径方向に支持するスラスト軸受部７２が構成されている。

本発明に係る流体軸受装置４は、さらに循環機構５を備えている。以下に、循環機構５の詳細について説明する。
図２に示すように、循環機構５は、第２油室６２と第１油室６１の軸方向上側（軸方向他方側）とを連結している。具体的には、循環機構５は、軸受空間６の軸方向下側の潤滑油４６を軸方向上側へ循環させるための機構であり、第３の軸受空間である第３油室６３と、少なくとも１つの連通孔５１と、少なくとも１つの（連通孔と同数でない場合もある）循環制御部５２とを有している。
第３油室６３は、スリーブ４２およびカバー部材４５の軸方向間に形成された環状の空間であり、内周側が第１油室６１の軸方向上側と連通している。連通孔５１は、軸受空間６の軸方向下側と軸方向上側、より具体的には、第２油室６２の軸方向下側と第３油室６３の外周側とを連結するためのものである。連通孔５１は、スリーブ４２に形成された軸方向に延びる油路であり、スリーブ４２を軸方向に貫通している。本実施形態では、連通孔５１は円周方向に均等に配置された円形断面の流路である。
循環制御部５２は、潤滑油４６の油温の変化に応じて連通孔５１の流路断面積を制御するためのもので、各連通孔５１にそれぞれ設けられている。具体的には、循環制御部５２は、連通孔５１内に設けられた制御部材５２ａを有している。制御部材５２ａは、温度変化により体積が大きく変化する材料、すなわち線膨張係数の大きい材料からなる球状の部材である。制御部材５２ａは連通孔５１内であればどの位置でもよいが、図２では潤滑油４６に比べて制御部材５２ａの比重が小さく制御部材５２ａが潤滑油４６に浮いている状態を示している。なお、制御部材５２ａの比重が潤滑油４６の比重よりも大きい場合は、制御部材５２ａは連通孔５１の軸方向下側に沈んだ状態となる。

図３（ａ）に油温が低い場合の制御部材５２ａの状態図、図３（ｂ）に油温が高い場合の制御部材５２ａの状態図を示す。例えば油温が上昇した場合、制御部材５２ａの体積は熱膨張により増加し、連通孔５１の流路断面積が小さくなる（図３（ｂ））。また油温が低下した場合、制御部材５２ａの体積は熱収縮により減少し、連通孔５１の流路断面積が大きくなる（図３（ａ））。このように、制御部材５２ａとして線膨張係数が大きい材料を選定することで、油温の変化に応じて連通孔５１の流路断面積を変化させることができ、シャフト４１の浮上量の変動を抑制することができる。
ここで、循環制御部５２の動作および作用効果について以下に詳細に説明する。図４に油温とシャフト４１の浮上量との関係を示す。図４は、連通孔５１の径がφ０．４〔ｍｍ〕、スラスト軸受部７２の軸方向のスラスト隙間の合計が２１〔μｍ〕の場合の計算結果を示している。また、シャフト４１の浮上量とは、シールプレート４４とスラストフランジ４３との軸方向間の隙間を意味している。
図４の計算結果は、流体軸受装置４の構成が条件Ａから条件Ｄの４パターンの場合についてのものである。具体的には、条件Ａは流体軸受装置４が循環機構５を備えていない場合（◆）、条件Ｂは流体軸受装置４が循環機構５を備えているが循環機構５が循環制御部５２を有していない場合（■）、条件Ｃは循環機構５および循環制御部５２を備えている場合であって循環制御が理想的な場合（＊）、そして条件Ｄは循環機構５および循環制御部５２を備えている場合であって循環制御が現実的な場合（×）をそれぞれ示している。また図４の太線は、シャフト４１の最適浮上量（浮上量＝１０．５〔μｍ〕）を示している。

循環機構５がない場合は、ラジアル軸受部７１のポンピング力により第２油室６２内の圧力が大気圧よりも大きくなる。また前述のように、油温が低下すると潤滑油４６の粘度が高くなり、ラジアル軸受部７１のポンピング力は高くなる（図８）。図８の計算結果は、スリーブが連通孔を有していない場合のものであるが、連通孔を有している場合であっても同じ傾向を有している。したがって、油温が低下すると第２油室６２内の圧力が高くなり、シャフト４１の浮上量が必要以上に大きくなる。例えば、図４に示すように、油温が０〔℃〕の場合は条件Ａにおけるシャフトの浮上量が１８．５〔μｍ〕となり、最適浮上量を大きく超えていることが分かる。
一方、油温が上昇すると粘度が低くなり、ラジアル軸受部７１のポンピング力およびスラスト軸受部７２で発生する動圧が小さくなる。この結果、図４に示すように条件Ａにおけるシャフト４１の浮上量は最適浮上量よりも小さくなる。
それに対して、循環機構５がある場合、第２油室６２内の圧力が大気圧と同じになるため、ラジアル軸受部７１のポンピング力によりシャフトが浮上しない。したがって、油温が低い場合は条件Ｂにおけるシャフト４１の浮上量は最適浮上量と同じかそれより若干小さい値となるが、油温が高い場合は条件Ｂにおけるシャフト４１の浮上量はさらに最適浮上量よりも小さくなる。

以上のように、油温が低い場合は、ラジアル軸受部７１のポンピング力によるシャフトの浮上量は０が好ましく、条件Ｂのように流体軸受装置が循環機構を備えている方がよい。一方、油温が高い場合は、ラジアル軸受部７１のポンピング力によりシャフトの浮上力をアシストする方が好ましく、条件Ａのように流体軸受装置が循環機構を備えていない方がよい。
この両方の状態を実現するためには、油温が低い場合は制御部材５２ａの連通孔５１の流路断面積が完全に連通し、油温が上昇するにしたがって連通孔５１の流路断面積が小さくなり、そして油温が高い場合（例えば１００℃）には完全に連通孔５１を塞ぐ機構が必要となる。この状態は図４の条件Ｃの計算結果に相当し、図４に示すように、油温が低い場合は条件Ｃにおけるシャフト４１の浮上量は条件Ｂと同じとなり、油温が高い場合には条件Ｃにおけるシャフト４１の浮上量は条件Ａと同じでとなる。
しかし、油温の変化に応じて連通孔５１を完全に解放および閉塞する機構は、スピンドルモータ用の小型の流体動圧軸受においては、実際には実現が困難である。したがって、循環制御部５２がこの動作に近い動作を行うために、この流体軸受装置４では循環制御部５２の制御部材５２ａとして線膨張係数の大きい材料を選定し、油温が高い場合は連通孔５１を完全に閉塞し、油温が低い場合は連通孔５１の流路断面積をφ２．０だけ確保したものについて考える。図４に示すように、油温が低い場合は、シャフト４１の浮上量が最適浮上量を若干超えてはいるものの、循環機構５によりシャフト４１の浮上量は条件Ａに比べて小さくなる。条件Ｂおよび条件Ｄにおいてシャフト４１の浮上量に差があるのは、制御部材５２ａにより若干流路断面積が小さくなり、第２油室６２の内圧が高くなっているためである。また油温が高い場合は、制御部材５２ａが熱膨張することにより連通孔５１が閉塞される。この場合、条件Ｄにおけるシャフト４１の浮上量は循環機構５がない条件Ａと同じ浮上量となる。以上に述べたように、条件Ｄにおいても条件Ｃに近い効果を得ることができる。

以上に述べた条件Ｄにおけるシャフト４１の浮上量を実現するためには、制御部材５２ａは１００℃でφ０．４〔ｍｍ〕、−３０℃でφ０．３４６〔ｍｍ〕の条件を満たす必要がある。この条件を線膨張係数に換算すると、制御部材５２ａの線膨張係数は１．３×１０^-3〔／Ｋ〕となる。この条件に近い材料で入手可能なものとしては、例えばウルテム（ＰＥＩ）（５．６×１０^-5〔／Ｋ〕）、ＡＢＳ樹脂（８．７５×１０^-5〔／Ｋ〕）およびテフロン（４．５×１０^-5〜１２×１０^-5〔／Ｋ〕）等が挙げられる。なお、制御部材５２ａの線膨張係数が大きくなればなるほど、条件Ｄの状態が条件Ｃの理想の状態に近づく。したがって、これらの線膨張係数および材料は単なる例示に過ぎず、さらに線膨張係数が大きい材料があればその材料を選定することができる。しかし、入手可能な材料等を考慮すると、固体材料の場合、実際には線膨張係数は５．０×１０^-5〔１／Ｋ〕以上が好ましく、さらに１．３×１０^-3〔／Ｋ〕以上が好ましい。
スピンドルモータ１の動作について説明する。スピンドルモータ１のステータ２２のコイルに通電すると、磁気回路によりロータ３が回転する。ロータ３とともにシャフト４１が回転すると、ラジアル軸受部７１でシャフト４１を半径方向に支持するための支持圧が発生すると同時に、潤滑油４６を軸方向下側へ押し込むように軸方向のポンピング力が発生する。これにより、シャフト４１は、ラジアル軸受部７１で発生した支持圧により半径方向に支持され、同時に潤滑油４６にポンピング力（循環力）が与えられる。またシャフト４１が回転すると、スラスト軸受部７２で軸方向の支持圧が発生する。これにより、スラスト軸受部７２で発生した支持圧によりシャフト４１は軸方向上側へ浮上する。なお、潤滑油４６のポンピング力（循環力）がスラスト軸受部７２で発生するように構成することもできる。

ここで、潤滑油４６の油温が低い場合は、前述のように循環制御部５２の制御部材５２ａにより連通孔５１が閉塞されない。そのため、ラジアル軸受部７１で軸方向のポンピング力が発生しても、第２油室６２内の油圧が大気圧と同じとなる。この結果、スラスト軸受部７２で発生した支持圧でのみシャフト４１は浮上し、最適浮上量を維持することができる。
また、潤滑油４６の油温が高い場合は、前述のように循環制御部５２の制御部材５２ａの体積が熱膨張により増加し、制御部材５２ａにより連通孔５１が閉塞される。そのため、ラジアル軸受部７１で発生したポンピング力により第２油室６２内の圧力が高くなる。この結果、スラスト軸受部７２で発生した支持圧に加えて、シャフト４１にはスラストフランジ４３の上面および下面の面積差により生じる軸方向上側への力が作用する。これにより、油温が高くスラスト軸受部７２の支持圧が小さい場合でも、シャフト４１の浮上量をラジアル軸受部７１のポンピング力によりアシストすることができ、最適浮上量に近い浮上量を確保することができる。
以上のように、この流体軸受装置４では、循環機構５が循環制御部５２を有しているため、油温の変化によるシャフト４１の浮上量の変動を抑制することができ、シャフト４１の回転精度を向上させることができる。

なお、本実施形態の変形例として、例えば図５（ａ）に示すように、制御部材５２ｂが円柱状の部材である場合も考えられる。また図５（ｂ）に示すように、潤滑油４６の流れを考慮して制御部材５２ｃの上流側の形状が円錐状等になっていてもよい。この場合であっても、油温が高くなったときに制御部材５２ｂ、５２ｃが熱膨張し連通孔５１が閉塞されるため、前述と同様の作用効果を得ることができる。
また前述の第１実施形態では、制御部材５２ａが１種類の材料から構成されているが、２種類の材料から構成されている場合も考えられる。具体的には、図６に示すように、制御部材１５２ａは弾性率が比較的高く耐油性を有する中空の球状部材からなる第１部材１５２ｂと、第１部材１５２ｂの内部に封入された熱膨張係数が大きい液体または気体からなる第２部材１５２ｃとから構成されていてもよい。第１部材としては、例えば弾性率が比較的高いニトリルゴム等が考えられる。また線膨張係数が高い液体材料としては、例えばアセトン（１．４３×１０^-3〔／Ｋ〕）、ジエチルエーテル（１．６３×１０^-3〔／Ｋ〕）等が考えられる。また熱膨張係数が高い気体材料としては、例えば空気（３．６７１×１０^-3〔／Ｋ〕、１００〔℃〕、１〔ａｔｍ〕）が考えられる。
この場合、第１部材１５２ｂの弾性率が高いため、第２部材１５２ｃの体積が熱膨張により増加した場合は第２部材１５２ｃとともに第１部材１５２ｂが熱膨張および弾性変形し、制御部材１５２ａの体積が増加する。これにより、前述の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、第２実施形態の変形例として、図７（ａ）に示すように例えば制御部材１５２ｄの第１部材１５２ｅが中空の球状部材ではなく中空の円柱状の部材であったり、あるいは図７（ｂ）に示すように制御部材１５２ｇの第１部材１５２ｈが楕円形断面の細長い形状の中空の部材であってもよい。この場合であっても、前述の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、制御部材５２ａの線膨張係数が大きくなればなるほど、条件Ｄの状態が条件Ｃの理想の状態に近づく。したがって、これらの線膨張係数および材料は単なる例示に過ぎず、さらに線膨張係数が大きい材料があればその材料を選定することができる。しかし、入手可能な材料等を考慮すると、液体または気体の場合、実際には線膨張係数が５．０×１０^-5〔１／Ｋ〕以上が好ましく、さらに１．３×１０^-3〔／Ｋ〕以上が好ましい。
以下に、その他の実施形態について説明する。本発明はかかる上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
前述の実施形態では、流体軸受装置４がスラストフランジ４３およびスラスト軸受部７２を備えているが、これに限定されない。例えば、特許文献１に記載の流体軸受装置のようにスラストフランジおよびスラスト軸受部を備えていない場合であっても、シャフトの下面に圧力が加わりシャフトに浮上力が作用するため、本発明は成立する。

循環制御部の連通孔および制御部材の形状は、前述の実施形態に限定されない。制御部材の熱膨張により連通孔の流路断面積を制御することができれば、他の形状であってもよい。また、制御部材の材料も前述の実施形態に限定されない。
また、制御部材の線膨張係数が大きくなればなるほど、循環制御部での流路断面積の制御は理想の状態に近づく。したがって、前述の実施形態で示した線膨張係数および材料は単なる例示に過ぎず、さらに線膨張係数が大きい材料があればその材料を選定することができる。
さらに、前述の実施形態では、１つの連通孔に１つの制御部材が設けられているが、これに限定されない。例えば、１つの連通孔に２つの制御部材が直列に配置されていてもよい。この場合、制御部材による圧力損失が大きくなるため、油温が上昇した場合により確実に軸受空間６内の圧力を高めることができる。

本発明の第１実施形態としてのスピンドルモータ１の縦断面概略図。 本発明の第１実施形態としての流体軸受装置４の縦断面概略図。 制御部材５２ａの温度変化による状態変化が分かる図。 油温とシャフト４１の浮上量との関係図。 第１実施形態の変形例。 本発明の第２実施形態としての流体軸受装置１０４の循環制御部１５２周辺の縦断面概略図。 第２実施形態の変形例。 油温とラジアル軸受部のポンピング力との関係図。 油温とシャフトの浮上力との関係図。

符号の説明

１ スピンドルモータ
２ ベースプレート
３ ロータ
４ 流体軸受装置
４１ シャフト
７１ａ、７１ｂ 第１動圧発生用溝
４２ スリーブ
４２ａ スリーブ本体
４２ｂ 筒状突出部
４２ｃ 凹部
４２ｄ 固定部
４３ スラストフランジ
７２ａ、７２ｂ 第２動圧発生用溝
４４ シールプレート
４５ カバー部材
５ 循環機構
５１ 連通孔
５２ 循環制御部
５２ａ 制御部材
６ 軸受空間
６１ 第１油室（第１の軸受空間）
６２ 第２油室（第２の軸受空間）
６３ 第３油室（第３の軸受空間）
７１ ラジアル軸受部
７２ スラスト軸受部

Claims (13)

1. 静止部材に対して回転部材を回転可能に支持するための流体軸受装置であって、
   前記静止部材に固定されたスリーブと、
   前記回転部材に固定され、前記スリーブの内周側に相対回転自在に設けられたシャフトと、
   前記スリーブの端部に固定されたシールプレートと、
   前記スリーブ、シャフトおよびシールプレートの間に形成された軸受空間と、
   前記軸受空間に充填された潤滑流体と、前記スリーブ内周面およびシャフト外周面のいずれか一方に形成され前記スリーブおよびシャフトの相対回転により半径方向の動圧力および軸方向のポンピング力を発生させるための少なくとも１つの第１動圧発生用溝とを有するラジアル軸受部と、
   前記ラジアル軸受部のポンピング力により前記軸受空間の軸方向前記シールプレート側へ押し込まれた前記潤滑流体を前記軸受空間の軸方向前記シールプレートと反対側へ循環させるための循環機構とを備え、
   前記循環機構は、前記軸受空間の軸方向一方側と他方側とを連結する前記スリーブに形成された少なくとも１つの連通孔と、前記潤滑流体の温度の変化に応じて前記連通孔の流路断面積を制御するための循環制御部とを有している、
   流体軸受装置。
2. 前記循環制御部は、前記連通孔内に設けられた少なくとも１つの制御部材を有している、
   請求項１に記載の流体軸受装置。
3. 前記制御部材は、球状の部材である、
   請求項２に記載の流体軸受装置。
4. 前記制御部材は、円柱状の部材である、
   請求項２に記載の流体軸受装置。
5. 前記制御部材の線膨張係数は、５．０×１０^-5〔１／Ｋ〕以上である、
   請求項２から４のいずれかに記載の流体軸受装置。
6. 前記制御部材は、弾性率が比較的高い中空の球状部材からなる第１部材と、前記第１部材の内部に封入された液体または気体からなる第２部材とを有している、
   請求項２に記載の流体軸受装置。
7. 前記第２部材の熱膨張係数は、１．３×１０^-3〔１／Ｋ〕以上である、
   請求項６に記載の流体軸受装置。
8. 前記第１動圧発生用溝は、軸方向に対して傾斜する第１溝部と、前記第１溝部の端部から軸方向に対して前記第１溝部と反対側に傾斜する第２溝部とから構成され、
   第１溝部の軸方向長さは、第２溝部の軸方向長さよりも長い、
   請求項１から７のいずれかに記載の流体軸受装置。
9. 前記シャフトに固定もしくは一体に形成され、前記シールプレートと軸方向に対向するスラスト部材と、
   前記軸受空間内に設けられ、前記スラスト部材、シールプレートおよびスリーブの少なくともいずれか１つに形成された複数の第２動圧発生用溝を有するスラスト軸受部とをさらに備え、
   前記軸受空間は、前記スリーブおよびシャフトの間に形成された第１の軸受空間と、前記スラスト部材、シールプレートおよびスリーブの間に形成され前記第１の軸受空間の軸方向一方側と連通する第２の軸受空間とを有し、
   前記循環機構は、前記第２の軸受空間と前記第１の軸受空間の軸方向他方側とを連結する、
   請求項１から８のいずれかに記載の流体軸受装置。
10. 前記スリーブの軸方向他方側に固定された環状のカバー部材をさらに備え、
    前記循環機構は、前記スリーブおよびカバー部材の間に形成され前記軸受空間と連通する第３の軸受空間をさらに有している、
    請求項１から９のいずれかに記載の流体軸受装置。
11. 前記第３の軸受空間は、前記第１の軸受空間と連通している、
    請求項１０に記載の流体軸受装置。
12. 前記カバー部材は、前記第３の軸受空間内の空気を排気するための少なくとも１つの排気孔を有している、
    請求項１０または１１に記載の流体軸受装置。
13. 静止部材としてのハウジングと、ハウジングに固定されステータコイルが巻回される環状のステータと、ステータの内周側に収容されロータマグネットを有する回転部材としてのロータと、ハウジング対してロータを回転自在に支持するための請求項１から１２のいずれかに記載の流体軸受装置と、
    を備えたスピンドルモータ。
    

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