JP2007162950A - 流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スラスト軸受部とシール空間とに圧力差を生じるような場合でも、気泡の生成、潤滑油漏れ、軸の浮き上がり、スラストプレートの異常摩耗等の弊害を防止する。
【解決手段】 ハウジング２を、底部２ｃを含めて一体に形成し、ハウジング２の底部２ｃの内側面に軸方向の段差を設ける。軸受部材３の一方の端面を上記内側面のハウジング開口側の面に接触させると共に、他方の端面をシール部材５の端面に接触させる。ハウジングの内部空間を潤滑油で充満させて油面をシール空間Ｓ１に配し、スラスト軸受部Ｔとシール空間Ｓ１とを連通溝１０で連通させる。
【選択図】図１３

Description

本発明は、ラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の油膜によって回転部材を非接触支持する流体軸受装置に関する。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、複写機、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）、バーコードリーダー等のスキャナモータ、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、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手段を備えたいわゆる流体動圧軸受と、動圧発生手段を備えていないいわゆる流体真円軸受（軸受面が真円形状である軸受）とに大別される。

図７は、流体動圧軸受装置１１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示している。このスピンドルモータは、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク駆動装置に用いられるもので、軸部材１２を回転自在に支持する流体軸受装置１１と、軸部材１２に装着され、駆動対象である例えば光ディスク１３を支持する支持部材１４（図示例ではターンテーブル）と、半径方向のギャップを介して対向するモータステータ１５およびモータロータ１６とを備えている。

流体軸受装置１１は、一端側に開口部、他端側に底部を有するハウジング２１と、ハウジング２１の内周面に固定された円筒状の軸受部材２２と、軸受部材２２の内周面に挿通された軸部材１２と、ハウジング２１の底部に設けられたスラストプレート２３と、ハウジング２１の開口部に装着されたシール部材２４とを主要な部材として構成される。軸受部材２２の内周面または軸部材１２の外周面には動圧発生用の溝（動圧溝）が設けられる。また、ハウジング２１の内部空間には潤滑油が注油される。

ステータ１５は流体軸受装置１１のハウジング２１の外周に取付けられ、ロータ１６は支持部材１４に取付けられる。ステータ１５に通電すると、ステータ１５とロータ１６との間の励磁力でロータ１６が回転し、それによって、支持部材１４および軸部材１２が一体となって回転する。

軸部材１２の回転により、軸受部材２２の内周面と軸部材１２の外周面との間のラジアル軸受隙間に動圧溝による潤滑油の動圧作用が生じて、軸部材１２の外周面がラジアル方向に非接触支持される。また、軸部材１２の他端側（図７で下側）の端面がスラストプレート２３によってスラスト方向に支持される。
特開平１１−１９１９４３号公報

ハウジング２１の内部空間への潤滑油の注油は、通常、スピンドルモータの組立時に軸部材１２を装着していない状態で行い、注油後に軸部材１２を装着している。そのため、ハウジング２１の内部空間に空気が混入することが避けられず、周囲温度の変化やモータの発熱、あるいは高地での使用や空輸時等における気圧の変化に伴うハウジング内部空間の空気の熱膨張・収縮等によって、潤滑油がシール部材２４の内周面と軸部材１２の外周面との間のシール空間から押し出されて外部に漏れる可能性がある。特に、モータ姿勢が倒立姿勢（ハウジング２１の開口部の側を下向きした姿勢）や横向き姿勢（ハウジング２１の開口部の側を水平方向に向けた姿勢）で使用した場合、潤滑油が流動して開口部の側に溜まり易いため、潤滑油の漏れが起こり易い。

上記構成の流体軸受装置１１において、スラスト軸受部は、軸部材１２の他端側の端面をスラストプレート２３で支持するものであり、軸部材１２はステータ１５とロータ１６との間の磁力によってスラストプレート２３に押し付けられることで、一端側（図７で上側）への軸方向移動が規制されている。しかしながら、上記の磁力を上回るような衝撃荷重等がモータに加わった場合や、モータを倒立姿勢や横向き姿勢で使用した場合、軸部材１２がハウジング２１に対して一端側に軸方向移動して、ハウジング２１から抜けてしまう可能性がある。

ハウジング２１の底部に設けたスラスト軸受部で軸部材１２の軸端部をスラスト方向に接触支持する構成の流体軸受装置では、スラスト軸受部周辺の空間において潤滑油の圧力が高まり、シール部材２４の内周面と軸部材１２の外周面との間のシール空間における潤滑油と圧力差が生じる場合がある。この圧力差は、ラジアル軸受部で動圧溝の幅を軸方向で非対称に形成した場合の他、設計上は対称にしてあっても加工誤差（軸部材や軸受部材内周面のテーパ形状、動圧溝幅の寸法精度等）が大きい場合等にも同様に生じ得る。

このような圧力差が生じると、ハウジング２１の内部空間内の潤滑油に局部的な負圧が生じ、潤滑油中での気泡の生成、これに起因する潤滑油の漏れや振動の発生等の原因になることがある。また、スラスト軸受部周辺の潤滑油の圧力が高まることにより、軸部材の浮き上がりを生じたり、逆にスラスト軸受部側の圧力が低くなって軸部材がスラストプレート２３等の受け部材に押し付けられ、受け部材の異常摩耗を招く場合もある。

本発明の課題は、スラスト軸受部とシール空間とに圧力差を生じるような場合でも、気泡の生成、潤滑油漏れ、軸の浮き上がり、スラストプレートの異常摩耗等の弊害を防止することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、一端側に開口部、他端側に底部を有するハウジングと、前記ハウジングに収容される軸部材および軸受部材と、前記軸受部材の内周面と前記軸部材の外周面との間に設けられ、ラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の油膜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、軸部材の軸端部をスラスト方向に接触支持するスラスト軸受部と、前記ハウジングの開口部に配置され、軸部材の外周との間でシール空間を形成するシール部材とを備えた流体軸受装置において、スラスト軸受部とシール空間とを連通させる連通溝を設けた構成を提供する。

この場合、ハウジングが底部を含めて一体に形成され、ハウジングの底部の内側面が軸方向の段差を有し、軸受部材の一方の端面を上記内側面のハウジング開口側の面に接触させると共に、他方の端面をシール部材の端面に接触させ、ハウジングの内部空間を潤滑油で充満させて油面をシール空間に配した構成とするのが好ましい。

かかる構成から、スラスト軸受部周辺の空間とシール空間との間で潤滑油の圧力差が生じた場合でも、連通溝を通じて両空間の間に潤滑油の流動が生じ、これにより両空間の油圧が等圧に保たれる。

上記の連通溝は、例えば、ハウジングの底部側で軸受部材の一方の端面とこれに対向するハウジングの面との間に形成された第一半径方向溝と、ハウジングの開口部側で軸受部材の他方の端面とこれに対向するシール部材の面との間に形成された第二半径方向溝と、軸受部材の外周面とハウジングの内周面との間に形成された軸方向溝とを有するもので構成することができる。

一端側に開口部、他端側に底部を有するハウジングと、ハウジングに収容される軸部材および軸受部材と、軸受部材の内周面と軸部材の外周面との間に設けられ、ラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の油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、ハウジングの開口部に配置されたシール部材とを備えた流体軸受装置において、減圧環境下におけるハウジングの内部空間に残存する空気の膨張・収縮によっても、潤滑油が外部に漏れ出さないレベルに、ハウジングの内部空間が潤滑油で充満されている構成を提供することもできる。ここで、減圧環境下の気圧は、例えば大気圧から１００Ｔｏｒｒである。

上記構成の流体軸受装置は、例えば、ハウジングの内部空間を真空状態にした後、大気圧に開放して、ハウジングの内部空間を潤滑油で置換することによって得ることができる（真空含浸）。具体的には、流体軸受装置を未注油の状態（例えば図１〜図４に示す形態）で組立てた後、流体軸受装置の全体又は一部（少なくとも流体軸受装置における外部との開口部分）を真空槽内で潤滑油中に浸漬し、その状態でハウジングの内部空間の空気を真空引きした後、大気圧に開放して、ハウジングの内部空間に潤滑油を充満させることにより得ることができる。

ただし、真空槽内の真空度によっては、大気圧解放後にハウジング内部に僅かながら空気が残存することになる。残存空気が多ければ、周囲温度の変化に伴う残存空気の膨張・収縮によって、潤滑油がハウジング外部へ押し出されて、潤滑油漏れを起こす可能性がある。特に、モータを倒立姿勢や横向き姿勢で使用した場合は、ハウジング内部空間で潤滑油が流動して開口部の側に溜まり易いため、上記の潤滑油漏れが起こり易い。たとえ残存空気が僅かでも、高地での使用や空輸による減圧環境下において、残存空気が膨張し、潤滑油をハウジング外部へ押し出して、潤滑油漏れを起こす可能性がある。

空気の熱膨張の要因としては、温度と気圧が挙げられるが、使用環境として想定される温度と気圧の範囲で空気の膨張収縮量を計算すると、気圧の影響の方が大きいことがわかる。

本発明の流体軸受装置が組み込まれる小型スピンドルモータの使用・保管環境は、一般に以下のようなものであることが多い。

温度：使用温度０〜６０°Ｃ 保管温度−４０〜９０°Ｃ
気圧：輸送時 大気圧〜０．３ａｔｍ（高度約１００００ｍ）
気体の状態方程式から膨張割合を計算すると、
ＰＶ＝ｎＲＴ
Ｐ：圧力
Ｖ：体積
ｎ，Ｒ：気体によって定まる定数
Ｔ：絶対温度
であるから、
（１）圧力一定で温度が−４０〜９０°Ｃに変化した場合、
Ｖ_９０／Ｖ_−４０＝３６３／２３３＝１．５６倍
（２）温度一定で圧力を大気圧から０．３ａｔｍに変化させた場合、
Ｖ_９０／Ｖ_−４０＝１／０．３＝３．３３倍
となり、空気の膨張による潤滑油漏れを抑制するためには、上記規格の範囲での環境下で、より影響が大きい気圧の変化を考慮し、潤滑油の漏れがないような構造にするのが望ましい。

例えば、空輸における高度を１００００ｍと仮定すると、その場合の気圧は約２３０Ｔｏｒｒ（０．３ａｔｍ）であることから、２３０Ｔｏｒｒの減圧環境下で潤滑油漏れがないように潤滑油を注油する必要がある。軸受装置の製造時の検査では、余裕をみて１００Ｔｏｒｒにて潤滑油漏れがないことを確認することが望ましい。

以上より、本発明の流体軸受装置及びこれを備えたモータは、高温・低温環境、高地での使用や空輸時等の減圧環境下において、ハウジング内部空間に残存する空気の膨張・収縮によっても潤滑油が外部に漏れ出すことがなく、モータの姿勢にかかわらず、安定した運転、運搬が可能である。

上記のようにしてハウジングの内部空間を潤滑油によって満たした流体軸受装置は、先端に栓をした注射器のような構造であるため、運搬中の振動などによって軸部材が軸方向へ移動すること、さらには軸部材がハウジングから抜けることをある程度抑制する効果もある。

また、本発明は、上記課題を解決するため、一端側に開口部、他端側に底部を有するハウジングと、ハウジングに収容される軸部材および軸受部材と、軸受部材の内周面と軸部材の外周面との間に設けられ、ラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の油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、ハウジングの底部に設けられ、軸部材の他端側の端面をスラスト方向に支持するスラスト軸受部と、ハウジングの開口部に配置されたシール部材とを備えた流体軸受装置において、シール部材と接触して、軸部材のハウジングに対する一端側への軸方向相対移動を規制する突出部を軸部材に設けた構成を提供する。

ここで、「突出部」は、軸部材に一体に設けることにより、あるいは、軸部材とは別体の部材を軸部材に固定することにより構成することができる。また、「突出部」の形状は特に限定されず、環状、部分環状、点状又はピン状など、任意の形状を採用することができる。軸部材が外力や重力を受けて、ハウジングに対して一端側に軸方向相対移動すると、突出部がシール部材と接触して、軸部材のそれ以上の軸方向相対移動を規制する。これにより、軸部材がハウジング内に保持され、ハウジングに対する抜けが防止される。

上記構成に加え、ハウジングの内部空間が潤滑油で充満され、かつ、大気圧から１００Ｔｏｒｒの減圧環境下におけるハウジングの内部空間に残存する空気の膨張・収縮によっても、ハウジングの内部から潤滑油の漏れがない構成とすることができる。

上記構成において、突出部とシール部材との間に０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの軸方向隙間を設けることができる。この軸方向隙間の値は、軸部材の他端側の端面がスラスト軸受部に接触している時の値である。

定常運転時（軸部材の他端側の端面がスラスト軸受部に接触支持された状態で回転している時）における突出部とシール部材との接触を回避するため、両者の間には一定の軸方向隙間を設ける必要がある。この軸方向隙間は、各部品の寸法公差や組立誤差などを考量すると、０．０５ｍｍ以上必要である。

一方、上記軸方向隙間の存在により、運転中あるいは運搬中に軸受装置に振動や衝撃荷重等が繰り返し加わると、軸部材は上記軸方向隙間の範囲内でハウジングに対して軸方向に相対移動可能となる。そのため、上記軸方向隙間が過大であると、軸部材の軸方向相対移動によって、外部の空気がシール空間（シール部材の内周面と軸部材の外周面との間の空間）を通ってハウジング内部に流入したり、あるいは、ハウジング内部の潤滑油が上記シール空間から押し出されて外部に漏れる可能性がある。また、上記軸方向隙間の値が大きくなるほど、ハウジングの内部空間に充満される潤滑油量が多くなり、熱膨張・収縮による潤滑油の体積変化量が大きくなるので、その体積変化量を吸収して潤滑油が外部に漏れないようにするために、上記シール空間の容積を大きくする必要が生じる。しかしながら、シール部材の軸方向寸法を大きくすることはスペース上の制約から困難な場合が多く、またシール部材の内径寸法を大きくすることはシール機能の低下（毛細管力の低下）につながる可能性があるので、好ましくない。

後述する試験の結果、上記軸方向隙間が０．５ｍｍ以下であれば、ハウジング内部から外部への潤滑油漏れを防止できることが確認されており、上記軸方向隙間の適正な範囲は０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍである。

以上の構成において、シール部材の内周面とこれに対向する軸部材の外周面との間に、一端側に向かって漸次拡大するテーパ形状のシール空間を設けることができる。シール空間を上記テーパ形状とすることにより、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漏れが防止される。

上記テーパ形状のシール空間は、シール部材の内周面および軸部材の外周面のうち少なくとも一方にテーパ面を設けることによって構成することができる。軸部材の外周面にテーパ面を設けた構成では、軸部材の回転時、シール空間内の潤滑油が遠心力を受け、軸部材のテーパ面に沿ってシール空間が狭くなる方向（ハウジングの内部方向）に向けて引き込まれる。従って、上記の毛細管力による引き込み作用に加え、遠心力による引き込み作用もあるので、潤滑油漏れの防止効果が一層高くなる。

本発明の「流体軸受装置」には、軸受隙間内の潤滑油に動圧を発生させる動圧発生手段を備えたいわゆる流体動圧軸受装置と、動圧発生手段を備えていないいわゆる流体真円軸受装置（軸受面が真円形状である軸受装置）とが含まれるが、より軸支持機能に優れた流体動圧軸受装置とするのが好ましい。流体動圧軸受装置とする場合、上記の「動圧発生手段」として、ラジアル軸受隙間を介して相対向する軸受部材の内周面および軸部材の外周面のうち一方の周面に動圧溝を設けた構成、上記一方の周面を非円形、例えば２円弧、３円弧、４円弧等の複数の円弧で描いた構成とすることができる（ラジアル軸受面を複数の円弧で描いた軸受は「円弧軸受」とも呼ばれる。）。前者の場合、動圧溝の形状として、ヘリングボーン形状、スパイラル形状、複数の軸方向溝形状（ラジアル軸受面に複数の軸方向溝を設けた軸受は「ステップ軸受」とも呼ばれる。）など、種々の公知の動圧溝形状を採用することができる。さらに、スラスト軸受隙間を介して相対向する面の一方にヘリングボーン形状やスパイラル形状等の動圧溝を形成してスラスト動圧軸受部を構成しても良い。また、軸受部材の材質として、多孔質の焼結金属の他、銅合金、ステンレス鋼、真ちゅう、アルミ合金等を用いることができる。

本発明によれば、スラスト軸受部とシール空間で潤滑油の圧力差を生じるような場合でも、両者を等圧にすることができる。従って、圧力差の発生に起因した気泡の生成、潤滑油漏れ、軸の浮き上がり、スラストプレートの異常摩耗等の弊害を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態に係る流体動圧軸受装置１を示している。この流体軸受装置１は、例えば図７に示すような情報機器用スピンドルモータに組み込まれるもので、一端側（図１で上側）に開口部２ａ、他端側（図１で下側）に底部２ｃを有する有底円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内周面に固定された円筒状の軸受部材３と、軸部材４と、ハウジング２の開口部２ａに固定されたシール部材５とを主要な部材として構成される。後述するように、軸受部材３の内周面３ａと軸部材４の外周面４ａとの間に第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２動圧軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して設けられる。また、ハウジング２の底部２ｃと軸部材４の下側端面４ｂとの間にスラスト軸受部Ｔが設けられる。

ハウジング２は、例えば真ちゅう等の軟質金属材で形成され、円筒状の側部２ｂと底部２ｃとを備えている。底部２ｃの内底面の、スラスト軸受面となる領域には、例えば樹脂製のスラストプレート６が配置されている。この実施形態において、ハウジング２は、側部２ｂと底部２ｃとが一体構造になっているが、側部２ｂと底部２ｃとを別体構造とし、底部２ｃとなる金属製の蓋状部材を側部２ｂの他端側開口部に加締め、接着等の手段で固定・封止しても良い。この場合、スラストプレート６は上記蓋状部材の上面に配置する。

軸部材４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）等の金属材で形成され、その下側端面４ｂは凸球状に形成される。

軸受部材３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形成される。また、軸受部材３の内周面３ａには、ラジアル軸受面（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。これら領域には、それぞれ動圧溝、例えばヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１、３ａ２が形成される。

軸部材４の外周面４ａは軸受部材３の内周面３ａに挿入され、軸受部材３の内周面３ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）と、それぞれ、ラジアル軸受隙間を介して対向する。また、軸部材４の下側端面４ｂはスラストプレート６の上面と接触する。

シール部材５は環状のもので、ハウジング２の開口部２ａ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５の内周面５ａは円筒状に形成され、シール部材５の下側端面５ｂは軸受部材３の上側端面３ｂと接触する。

シール部材５の内周面５ａは軸部材４の外周面４ａと所定の隙間を介して対向し、これにより、両者の間に円筒形状のシール空間Ｓ１が形成される。シール部材５で密封されたハウジング２の内部空間は、軸受部材３の内部気孔（多孔質組織の気孔）を含め、空気を介在させることなく潤滑油で充満され、その潤滑油の油面はシール空間Ｓ１内にある。シール空間Ｓ１の容積は、ハウジング２の内部空間に充満された潤滑油の、使用温度範囲内の温度変化に伴う容積変化量よりも大きくなるように設定される。これにより、温度変化に伴う潤滑油の容積変化があった場合でも、潤滑油の油面を、常に、シール空間Ｓ１内に維持することができる。

ハウジング２の内部空間へは、例えば次のような態様で潤滑油を注油する。まず、各部品（ハウジング２、軸受部材３、軸部材４、スラストプレート６、シール部材５）を組み付けて、未注油の流体軸受装置１を組み立て、この未注油の流体軸受装置１を真空槽内で潤滑油中に浸漬する。ハウジング２の内部空間の空気は真空槽内の真空圧で引かれて排出され、該内部空間に空気が介在しない状態となる。その後、大気圧に開放すると、ハウジング２の内部空間が潤滑油で充満される。潤滑油の注油が終わると、流体軸受装置１を真空槽から取出して、流体軸受装置１の動作上限温度まで加温する。この加温に伴い、ハウジング２の内部空間に充満された潤滑油が熱膨張して、余分な潤滑油がシール空間Ｓ１から外部に排出される。これにより、流体軸受装置１が動作上限温度で運転された場合でも、潤滑油の油面はシール空間Ｓ１内に維持される。その後、加温を止めると、温度低下に伴い潤滑油の油面は低下して、シール空間Ｓ１内の適正レベルに落ち着く。

上記の注油工程において、真空槽内の真空度によっては、ハウジング２の内部空間に僅かながら空気が残存する場合もあるが、その空気量が所定のレベル、すなわち、流体軸受装置１及びこれを組み込んだモータの使用・運搬環境として想定される環境条件において、ハウジング２の内部空間に残存した空気の膨張によって潤滑油がシール空間Ｓ１から押し出されてハウジング２の外部に漏れないようなレベルに規制されていれば良い。この実施形態では、１００Ｔｏｒｒでの減圧下において、流体軸受装置１を正置姿勢（ハウジング２の開口部２ａの側を上向きした姿勢）、倒立姿勢（ハウジング２の開口部２ａの側を下向きした姿勢）、横向き姿勢（ハウジング２の開口部２ａの側を水平方向に向けた姿勢）、傾斜姿勢（ハウジング２の開口部２ａの側を傾斜方向に向けた姿勢）にした場合でも、潤滑油がハウジング２の外部に漏れないようにしている。

上記構成の流体軸受装置１において、軸部材４が回転すると、上記ラジアル軸受隙間に潤滑油の動圧が発生し、軸部材４の外周面４ａ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４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、軸部材４の下側端面４ｂがスラストプレート６によって接触支持され、これにより、軸部材４をスラスト方向に回転自在に支持するスラスト軸受部Ｔが構成される。

この実施形態の流体軸受装置１は、周囲温度の変化やモータの発熱、あるいは高地での使用や空輸時等の減圧環境下における、ハウジング内部空間の残存空気の膨張・収縮によっても、モータの姿勢にかかわらず、ハウジング２の内部から外部への潤滑油漏れがなく、安定した運転、運搬が可能である。

図２は、第２の実施形態に係る流体動圧軸受装置１’を示している。この実施形態の流体軸受装置１’が上述した第１の実施形態と異なる点は、シール部材５’の内周面とこれに対向する軸部材４’の外周面との間に形成されるシール空間Ｓ２を、ハウジング２の一端側（外部方向）に漸次拡大するテーパ形状にした点にある。この実施形態では、テーパ形状のシール空間Ｓ２を形成するために、シール部材５’の内周面を一端側に向かって漸次拡径する形状のテーパ面５ａ’とし、かつ、テーパ面５ａ’と対向する軸部材４’の外周面に、一端側に向かって漸次縮径する形状のテーパ面４ａ１’を設けている。尚、テーパ面５ａ’とテーパ面４ａ１’のうち一方は円筒面とすることもできる。

図２の鎖線円内に拡大して示すように、シール空間Ｓ２内に潤滑油Ｌの油面があることにより、シール空間Ｓ２内の潤滑油Ｌが、毛細管力によってシール空間Ｓ２が狭くなる方向（他端側：ハウジング２の内部方向）に向けて引き込まれる。そのため、ハウジング２の内部から外部への潤滑油Ｌの漏れ出しが効果的に防止される。さらに、軸部材４’の外周面にテーパ面４ａ１’を設けていることにより、軸部材４’の回転時、シール空間Ｓ２内の潤滑油Ｌが遠心力を受けて、テーパ面４ａ１’に沿ってシール空間Ｓ２が狭くなる方向（ハウジング２の内部方向）に向けて引き込まれる。従って、上記の毛細管力による引き込み作用に加え、遠心力による引き込み作用もあるので、上述した第１の実施形態の流体軸受装置１’に比べて、潤滑油Ｌの漏れ出し防止効果が一層高くなる。

図３は、第３の実施形態に係る流体動圧軸受装置１を示している。この流体軸受装置１は、例えば図７に示すような情報機器用スピンドルモータに組み込まれるもので、一端側（図３で上側）に開口部２ａ、他端側（図３で下側）に底部２ｃを有する有底円筒状のハウジング２と、ハウジング２の内周面に固定された円筒状の軸受部材３と、軸部材４と、ハウジング２の開口部２ａに固定されたシール部材５とを主要な部材として構成される。後述するように、軸受部材３の内周面３ａと軸部材４の外周面４ａとの間に第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２動圧軸受部Ｒ２とが軸方向に離隔して設けられる。また、ハウジング２の底部２ｃと軸部材４の下側端面４ｂとの間にスラスト軸受部Ｔが設けられる。

ハウジング２は、例えば真ちゅう等の軟質金属材で形成され、円筒状の側部２ｂと底部２ｃとを備えている。底部２ｃの内底面の、スラスト軸受面となる領域には、例えば樹脂製のスラストプレート６が配置されている。この実施形態において、ハウジング２は、側部２ｂと底部２ｃとが一体構造になっているが、側部２ｂと底部２ｃとを別体構造とし、底部２ｃとなる金属製の蓋状部材を側部２ｂの他端側開口部に加締め、接着等の手段で固定・封止しても良い。この場合、スラストプレート６は上記蓋状部材の上面に配置する。

軸部材４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）等の金属材で形成され、その下側端面４ｂは凸球状に形成される。また、軸部材４の外周面４ａには突出部としての円板状のワッシャ７が圧入、接着等の適宜の手段で固定される。

軸受部材３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形成される。また、軸受部材３の内周面３ａには、ラジアル軸受面（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。これら領域には、それぞれ動圧溝、例えばヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１、３ａ２が形成される。

軸部材４の外周面４ａは軸受部材３の内周面３ａに挿入され、軸受部材３の内周面３ａのラジアル軸受面となる領域（上下２箇所の領域）と、それぞれ、ラジアル軸受隙間を介して対向する。また、軸部材４の下側端面４ｂはスラストプレート６の上面と接触する。

シール部材５は環状のもので、ハウジング２の開口部２ａ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５の内周面５ａは円筒状に形成され、シール部材５の下側端面５ｂは軸受部材３の上側端面３ｂと所定の軸方向間隔部Ｘを隔てて対向する。

軸部材４に設けられたワッシャ７は軸方向間隔部Ｘ内に配置され、軸部材４の下側端面４ｂがスラストプレート６の上面と接触した状態において、ワッシャ７の上側端面７ａとシール部材５の下側端面５ｂとの間に軸方向隙間Ｘ１が設けられ、ワッシャ７の下側端面７ｂと軸受部材３の上側端面３ｂとの間に軸方向隙間Ｘ２が設けられる。軸方向隙間Ｘ１の大きさは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍである。軸方向隙間Ｘ２は、軸部材４の回転時に、ワッシャ７の下側端面７ｂが軸受部材３の上側端面３ｂと接触しないような大きさに設定すれば良いが、各部品の寸法公差や組立誤差などを考量して０．０５ｍｍ以上とするのが好ましい。この軸方向隙間Ｘ２の大きさは、軸方向隙間Ｘ１と同じにしても良いし、軸方向隙間Ｘ１よりも大きく又は小さくしても良い。

シール部材５の内周面５ａは軸部材４の外周面４ａと所定の隙間を介して対向し、これにより、両者の間に円筒形状のシール空間Ｓ１が形成される。シール部材５で密封されたハウジング２の内部空間は、軸受部材３の内部気孔（多孔質組織の気孔）を含め、空気を介在させることなく潤滑油で充満され、その潤滑油の油面はシール空間Ｓ１内にある。シール空間Ｓ１の容積は、ハウジング２の内部空間に充満された潤滑油の、使用温度範囲内の温度変化に伴う容積変化量よりも大きくなるように設定される。これにより、温度変化に伴う潤滑油の容積変化があった場合でも、潤滑油の油面を、常に、シール空間Ｓ１内に維持することができる。

ハウジング２の内部空間へは、例えば第１の実施形態と同様の態様で潤滑油が注油され、大気圧から１００Ｔｏｒｒの減圧環境下におけるハウジング内部空間に残存する空気の膨張・収縮によっても、モータの姿勢にかかわらず、ハウジング２の内部から潤滑油の漏れがない構成になっている。

この実施形態において、軸部材４が外力や重力を受けて、ハウジング２に対して一端側に軸方向相対移動すると、軸部材４に設けられたワッシャ７がシール部材５と接触して、軸部材４のそれ以上の軸方向相対移動を規制する。これにより、軸部材４が常にハウジング２内に保持され、ハウジング２からの抜けが防止される。

さらに、ワッシャ７とシール部材５との間の軸方向隙間Ｘ１が０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内に設定されているので、定常運転時（軸部材４の下側端面４ｂがスラストプレート６に接触支持された状態で回転している時）において、ワッシャ７とシール部材５との接触がなく、安定した運転状態が得られる。また、軸部材４が軸方向隙間Ｘ１の範囲内で軸方向相対移動した場合でも、ハウジング２の内部に空気が流入したり、あるいは、ハウジング２の内部に充満された潤滑油がシール空間Ｓ１から押し出されて外部に漏れる現象も起こらない。

その他の事項は第１の実施形態に準じるので、重複する説明を省略する。

図４は、第４の実施形態に係る流体軸受装置１’を示している。この実施形態の流体軸受装置１’が上述した第３の実施形態と異なる点は、シール部材５’の内周面とこれに対向する軸部材４’の外周面との間に形成されるシール空間Ｓ２を、ハウジング２の一端側（外部方向）に漸次拡大するテーパ形状にした点にある。この実施形態では、テーパ形状のシール空間Ｓ２を形成するために、シール部材５’の内周面を一端側に向かって漸次拡径する形状のテーパ面５ａ’とし、かつ、テーパ面５ａ’と対向する軸部材４’の外周面に、一端側に向かって漸次縮径する形状のテーパ面４ａ１’を設けている。尚、テーパ面５ａ’とテーパ面４ａ１’のうち一方は円筒面とすることもできる。

図４の鎖線円内に拡大して示すように、シール空間Ｓ２内に潤滑油Ｌの油面があることにより、シール空間Ｓ２内の潤滑油Ｌが、毛細管力によってシール空間Ｓ２が狭くなる方向（他端側：ハウジング２の内部方向）に向けて引き込まれる。そのため、ハウジング２の内部から外部への潤滑油Ｌの漏れ出しが効果的に防止される。さらに、軸部材４’の外周面にテーパ面４ａ１’を設けていることにより、軸部材４’の回転時、シール空間Ｓ２内の潤滑油Ｌが遠心力を受けて、テーパ面４ａ１’に沿ってシール空間Ｓ２が狭くなる方向（ハウジング２の内部方向）に向けて引き込まれる。従って、上記の毛細管力による引き込み作用に加え、遠心力による引き込み作用もあるので、上述した第３の実施形態の流体軸受装置１’に比べて、潤滑油Ｌの漏れ出し防止効果が一層高くなる。

以上に説明した実施形態では、ラジアル軸受面（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）となる軸受部材３の内周面３ａに動圧発生手段としてヘリングボーン形状の動圧溝３ａ１、３ａ２を形成したが、ヘリングボーン形状に代えて、スパイラル形状の動圧溝を形成しても良い。あるいは、図８に示すように、ラジアル軸受面となる軸受部材３の内周面３ａに動圧発生手段として複数の軸方向溝形状の動圧溝３ａ３を形成しても良い（いわゆる「ステップ軸受」）。

あるいは、図９〜図１１に示すように、動圧発生手段として、ラジアル軸受面（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）となる軸受部材３の内周面３ａを非円形、例えば複数の円弧で構成しても良い（いわゆる「円弧軸受」）。図９に示す例は、軸受部材３の内周面３ａを２つの円弧面（３ａ４、３ａ５）で構成したものである。円弧面３ａ４の曲率中心Ｏ１と円弧面３ａ５の曲率中心Ｏ２は、それぞれ、軸部材４の外周面４ａ（真円形状）から等距離オフセットされている。図１０に示す例は、軸受部材３の内周面３ａを３つの円弧面（３ａ６、３ａ７、３ａ８）で構成したものである。円弧面３ａ６の曲率中心Ｏ３、円弧面３ａ７の曲率中心Ｏ４、円弧面３ａ８の曲率中心Ｏ５は、それぞれ、軸部材４の外周面４ａ（真円形状）から等距離オフセットされている。図１１に示す例は、軸受部材３の内周面３ａを４つの円弧面（３ａ９、３ａ１０、３ａ１１、３ａ１２）で構成したものである。円弧面３ａ９の曲率中心Ｏ６、円弧面３ａ１０の曲率中心Ｏ７、円弧面３ａ１１の曲率中心Ｏ８、円弧面３ａ１２の曲率中心Ｏ９は、それぞれ、軸部材４の外周面４ａ（真円形状）から等距離オフセットされている。

尚、以上の動圧発生手段は軸部材４の外周面４ａに設けても良い。

あるいは、図１２に示すように、第１ラジアル軸受部Ｒ１（第２ラジアル軸受部Ｒ２）は動圧発生手段を備えていない「真円軸受」としても良い。

図１３に示す実施形態は、スラスト軸受部Ｔと、シール部材５の内周面５ａと軸部材４の外周面４ａとの間のシール空間Ｓ１とを、円周方向の一箇所もしくは複数箇所（図示例では二箇所）に配した連通溝１０で連通させたものである。

この連通溝１０は、第一および第二の半径方向溝１０ａ，１０ｃと軸方向溝１０ｂとからなり、軸方向溝１０ｂの両端に両半径方向溝１０ａ，１０ｃを接続した構造を有する。第一の半径方向溝は１０ａは、軸受部材３の一方（ハウジング底部２ｃ側）の端面３ｃとこれに対向するハウジング２の面、具体的にはハウジング底部２ｃの内側面２ｃ１との間に形成される。また、第二の半径方向溝１０ｃは、軸受部材３の他方（ハウジング開口部２ａ側）の端面３ｂと、これに対向するシール部材５の面、具体的にはシール部材５の内側面５ｂとの間に形成される。軸方向溝１０ｂは、軸受部材３の外周面とハウジング２の側部２ｂの内周面との間に形成される。

図１３に示す実施形態では、第一および第二の半径方向溝１０ａ、１０ｃは何れも軸受部材３の両端面３ｃ、３ｂに形成され、軸方向溝１０ｂは軸受部材３の外周面に形成されている。軸部材４の回転時、例えばスラスト軸受部Ｔの空間（軸部材４の軸端部周辺の空間）において潤滑油の圧力が高まると、連通溝１０を通じて、スラスト軸受部Ｔの周辺からシール空間Ｓ１に向かう潤滑油の流動が生じ、これにより、スラスト軸受部Ｔの周辺とシール空間Ｓ１の周辺における潤滑油の圧力が等圧に保たれる。そのため、潤滑油に局部的な負圧が生じることに伴う気泡の生成、これに起因する潤滑流体の漏れや振動の発生等が防止される。また、スラスト軸受部Ｔの周辺において潤滑油の圧力が高まることによる、軸部材４の浮き上がりも防止される。上記とは逆にシール空間Ｓ１の圧力が高まった場合も場合も同様に、連通溝１０によってスラスト軸受部Ｔの周辺とシール空間Ｓ１とが等圧に保たれ、気泡の生成による潤滑油の漏れ等や軸部材４がハウジング底部２ｃに押し付けられることによるスラストプレート６の異常摩耗といった弊害も回避することができる。

図１４は、連通路１０’を、軸受部材３と対向する部材（ハウジング２およびシール部材５）に形成した実施形態である。すなわち、第一半径方向溝１０ａ’はハウジング底部２ｃの内側面２ｃ１に、第二半径方向溝１０ｃ’はシール部材５の内側面５ｂ’に、軸方向溝１０ｂ’はハウジング側部２ｂの内周面に形成されている。この連通溝１０’によっても図１３に示す実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図１３では円筒状のシール空間Ｓ１を表し、図１４ではテーパ状のシール空間Ｓ２を表しているが、シール空間の形状は特に限定されるものではなく、これらとは逆に図１３の実施形態でテーパ状のシール空間Ｓ２を、図１４の実施形態で円筒状のシール空間Ｓ１を使用することもできる。

図１に示す形態の流体軸受装置１に上述した態様（真空含浸）で潤滑油を注油し、その際の真空槽内の真空度を変えることで、大気圧解放後にハウジング２の内部空間に残る空気の量を異ならせた５種類の試験軸受装置（実施例１〜２、比較例１〜３）を作製した。真空含浸後のハウジング内部空間の残存空気量を測定することは困難であるが、例えば真空槽内を３８０Ｔｏｒｒ（大気圧の１／２）まで減圧すれば、大気圧解放後のハウジング内部には内部空間容積の５０ｖｏｌ％の空気が残存すると推定できるため、この方法にて残存空気量を推定した。

上記の各試験軸受装置を用い、減圧環境下に放置した際の潤滑油漏れ有無の確認（減圧試験）、及び各試験軸受装置を実機モータに組み込み、大気圧下で運転姿勢を変えてＯＮ−ＯＦＦ運転をした際の潤滑油漏れ有無の確認を行った（実機試験）。試験結果を表１（減圧試験）、表２（実施試験）に示す。尚、試験条件は下記のとおりである。
［減圧試験］
真空度：１００Ｔｏｒｒ
［実機試験］
使用モータ：ＣＤ−ＲＯＭ実機モータ
回転速度：８０００ｒｐｍ
雰囲気温度：６０℃
モータ姿勢：正置、横向き、倒立
運転条件：ＯＮ−ＯＦＦ（１サイクル３０秒）
試験時間：３０万サイクル

減圧試験では、真空槽内の真空度によってハウジング内部空間に残存する空気の量は異なるため、真空含浸を行っても減圧下において潤滑油漏れを発生するものがあった（比較例１〜３）。

実機試験では、潤滑油を点滴したもの（比較例２、比較例３）は、横向きと倒立姿勢において５〜２０万サイクルにて潤滑油漏れが発生した。一方、真空含浸を行ったもの（実施例１、実施例２、比較例１）は、３０万サイクル全姿勢において潤滑油漏れは発生しなかった。

従って、実施例のように１００Ｔｏｒｒの減圧下においても潤滑油漏れを起こさないような注油を行うことによって、想定されるあらゆる使用姿勢、環境条件においても安定した運転、運搬が可能で、潤滑油漏れのない流体軸受装置を提供することが可能となる。

また、図３に示す構成において、ワッシャ７とシール部材５との間の軸方向隙間Ｘ１を０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍに設定した３種類の流体軸受装置１を作製し（実施例３〜５）、各流体軸受装置１の軸部材４に実機と同等の負荷となるようなダミーディスク９を装着して（図５）、１０００Ｇの落下衝撃試験を行った後、ハウジング２内部からの潤滑油漏れの有無を確認した。尚、衝撃値１０００Ｇは、ノートパソコン用のＨＤＤ装置など、近年の携帯ユース機器等に使用されるスピンドルモータに求められる耐衝撃荷重特性を参考にして設定した。また、図７に示す従来の流体軸受装置について、上記と同じ条件で試験を行った（比較例４）。試験の結果を表３に示す。

表３に示す試験結果より、１０００Ｇの衝撃荷重を加えた場合、比較例４では軸部材がハウジングから抜けてしまったが（軸抜け）、実施例３〜５では軸抜けが起こらず、潤滑油漏れも見られなかった。

また、上記実施例３〜５及び比較例４の流体軸受装置をそれぞれ実機モータ（レーザビームプリンタ用ポリゴンスキャナモータ）に組み込み、下記の条件にて運転した後、ハウジング内部からの潤滑油漏れの有無を確認した。試験の結果を表４に示す。
［運転条件］
実機モータ：ＬＢＰ用ポリゴンスキャナモータ
回転速度 ：３００００ｒｐｍ
ヒートサイクルパターン：図６参照
試験時間：２０サイクル
モータ姿勢：横向き姿勢、倒立姿勢

表４に示す試験結果より、ヒートサイクルをかけて運転した際、比較例４では潤滑油漏れが見られたが、実施例３〜５では、横向き姿勢、倒立姿勢の何れの姿勢でも潤滑漏れが見られなかった。

本発明の第１の実施形態に係る流体動圧軸受装置を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体動圧軸受装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る流体動圧軸受装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る流体動圧軸受装置を示す断面図である。 試験に用いた流体軸受装置の断面図である。 ヒートサイクルパターンを示す図である。 従来の流体軸受装置を組み込んだスピンドルモータの断面図である。 動圧発生手段として、軸受部材の内周面に複数の軸方向溝形状の動圧溝を形成した例を示す断面図である。 動圧発生手段として、軸受部材の内周面を複数の円弧で構成した例を示す断面図である。 動圧発生手段として、軸受部材の内周面を複数の円弧で構成した例を示す断面図である。 動圧発生手段として、軸受部材の内周面を複数の円弧で構成した例を示す断面図である。 ラジアル軸受部を、動圧発生手段を備えていない真円軸受とした例を示す断面図である。 連通溝を有する流体軸受装置の一実施形態を示す断面図である。 連通溝を有する流体軸受装置の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１、１’ 流体軸受装置
２ ハウジング
３ 軸受部材
４、４’ 軸部材
５ シール部材
７ ワッシャ（突出部）
１０、１０’ 連通溝
１０ａ、１０ａ’ 第一半径方向溝
１０ｂ、１０ｂ’ 軸方向溝
１０ｃ、１０ｃ’ 第二半径方向溝
Ｓ１、Ｓ２ シール空間
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ スラスト軸受部

Claims (5)

1. 一端側に開口部、他端側に底部を有するハウジングと、前記ハウジングに収容される軸部材および軸受部材と、前記軸受部材の内周面と前記軸部材の外周面との間に設けられ、ラジアル軸受隙間に生じる潤滑油の油膜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、軸部材の軸端部をスラスト方向に接触支持するスラスト軸受部と、前記ハウジングの開口部に配置され、軸部材の外周との間でシール空間を形成するシール部材とを備えた流体軸受装置において、
   ハウジングが底部を含めて一体に形成され、ハウジングの底部の内側面が軸方向の段差を有し、軸受部材の一方の端面を上記内側面のハウジング開口側の面に接触させると共に、他方の端面をシール部材の端面に接触させ、ハウジングの内部空間を潤滑油で充満させて油面をシール空間に配し、スラスト軸受部とシール空間とを連通させる連通溝を設けたことを特徴とする流体軸受装置。
2. 前記連通溝が、ハウジングの底部側で軸受部材の一方の端面とこれに対向するハウジングの面との間に形成された第一半径方向溝と、ハウジングの開口部側で軸受部材の他方の端面とこれに対向するシール部材の面との間に形成された第二半径方向溝と、軸受部材の外周面とハウジングの内周面との間に形成された軸方向溝とを有する請求項１記載の流体軸受装置。
3. 前記ラジアル軸受部が、前記ラジアル軸受隙間内の潤滑油に動圧を発生させる動圧発生手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体軸受装置。
4. 前記シール部材の内周面とこれに対向する前記軸部材の外周面との間に、一端側に向かって漸次拡大するテーパ形状のシール空間を有することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の流体軸受装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の流体軸受装置を備えたモータ。

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