JP2008075687A - 流体軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部を有するハブを備えた流体軸受装置において、金属部を変形させることなく軸部材に精度良く固定する
【解決手段】芯金１３（金属部）の内周面１３ａに凹部１３ａ１を設ける。これにより、芯金１３を軸部材２に圧入した際、嵌合面の圧入領域が縮小され、圧入抵抗を低減することができる。従って、芯金１３を変形させることなく軸部材２に圧入することができるため、両者を精度良く固定することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、軸受隙間に生じる潤滑膜で、軸部材を回転自在に支持する流体軸受装置に関する。

この種の流体軸受装置は、情報機器、例えばＨＤＤ等の磁気ディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／ＲＡＭ等の光ディスク駆動装置、ＭＤ、ＭＯ等の光磁気ディスク駆動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、例えばファンモータなどの小型モータ用として好適に使用可能である。

例えば、特許文献１には、軸部材と、軸部材の外径方向へ突出して設けたハブ（ディスクハブ）とを備え、ハブが、金属部（芯金）をインサートした樹脂の射出成形で形成された流体軸受装置が示されている。このように、樹脂製のハブに金属部をインサートすることによりハブの強度が高められ、ディスク搭載時のクランプ力等によるハブの変形を防止できる。

特開２００５−３３７３４２号公報（第５図）

この金属部を軸部材の外周面に固定する場合、例えば両者の間に隙間を有した状態で嵌合すると、これらの固定精度を高めることが困難となり、軸受装置の回転精度の低下を招く恐れがある。また、両者を圧入により固定すると、金属部が圧入抵抗によって変形する恐れがある。特に、ハブを薄肉化した場合は、金属部の肉厚も薄肉となるため、圧入抵抗による変形の恐れが高まる。

本発明の課題は、樹脂製のハブにインサートされる金属部を、変形させることなく軸部材に精度良く固定することができる流体軸受装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、軸部材と、軸部材の外周面から外径方向へ突出させて設けたハブと、軸部材の外周面が面するラジアル軸受隙間に生じる潤滑流体の動圧作用で軸部材を回転可能に支持するラジアル軸受部とを備えた流体軸受装置において、ハブが金属部をインサート部品とした樹脂成形品であり、該金属部を軸部材の外周面に圧入固定し、且つ、金属部と軸部材の固定面のうち、少なくとも何れか一方を凹凸面としたことを特徴とする。

このように、本発明では、金属部と軸部材との固定面のうち、少なくとも何れか一方を凹凸面とした。これにより、金属部を軸部材に圧入した際、嵌合面の圧入領域が縮小され、圧入抵抗を低減することができる。従って、金属部を変形させることなく軸部材に圧入することができるため、両者を精度良く固定することができる。

上記のように、軸部材と金属部との固定面の何れか一方を凹凸面とすると、この凹凸面の凹部と対向する面との間に隙間が形成されるため、軸受内部に満たされた潤滑流体が外部へ漏れ出す恐れがある。この点に鑑み、ハブを、軸部材及び軸部材に固定した金属部をインサート部品として樹脂で射出成形すると、軸部材と金属部との間に形成された隙間に樹脂が入り込み、この隙間を埋めることができるため、潤滑油の漏れ出しを防止することができる。

また、金属部と軸部材とを溶接により固定する場合、溶出した材料が他の部分、例えば軸部材の外周面に流れ込み、軸受性能を低下させる恐れがある。本発明では、前記凹凸面の凹部と対向する面との間に形成される隙間が溶出した材料を捕捉することにより、上記のような不具合を回避することができる。

この金属部は、例えば塑性加工で形成することができる。この場合、この塑性加工と同時に、金属部の内周面に凹凸面を形成することもできる。

以上のように、本発明によると、樹脂製のハブにインサートされる金属部を、変形させることなく軸部材に精度良く固定することができる流体軸受装置が得られる。

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、本発明が適用される流体軸受装置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を相対回転自在に非接触支持する流体軸受装置（動圧軸受装置）１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の外周側内周面に取付けられ、ロータマグネット５は、ハブ１０の外径側に設けられたヨーク１２に固定されている。流体軸受装置１は、ブラケット６の内周に固定される。また、ハブ１０には、図示は省略するが、情報記録媒体としてのディスクが一又は複数枚保持される。このように構成された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との間に発生する励磁力でロータマグネット５が回転し、これに伴って、ハブ１０およびハブ１０に保持されたディスクが軸部材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、軸部材２と、軸部材２に外径方向へ突出させて設けたハブ１０と、内周に軸部材２を挿入した軸受スリーブ８と、軸受スリーブ８を保持したハウジング９と、ハウジング９の一端を閉口する蓋部材１１とを主に備える。なお、説明の便宜上、軸方向両端に形成されるハウジング９の開口部のうち、蓋部材１１で閉口される側を下側、閉口側と反対の側を上側として以下説明する。

この流体軸受装置１では、軸部材２の外周面２ａと軸受スリーブ８の内周面８ａとの間に、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２が軸方向に離隔して設けられる。また、軸受スリーブ８の下側端面８ｂと軸部材２のフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間に第１スラスト軸受部Ｔ１が設けられると共に、ハウジング９の上端面９ａとハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１との間に第２スラスト軸受部Ｔ２が設けられる。

軸受スリーブ８は、例えば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、ハウジング９の内周面９ｃに、接着、圧入（圧入接着を含む）、溶着（超音波溶着を含む）、溶接（レーザ溶接を含む）等、適宜の手段で固定される。

軸受スリーブ８の内周面８ａの全面又は一部円筒領域には、図３に示すように、複数の動圧溝８ａ１、８ａ２をヘリングボーン形状に配列した領域が軸方向に離隔して形成される。また、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４に示すように、複数の動圧溝８ｂ１をスパイラル状に配列した領域が形成される。

ハウジング９は、金属材料又は樹脂材料で軸方向両端を開口した略円筒状に形成され、その一端側の開口部を蓋部材１１で封口している。ハウジング９の上端面９ａの全面または一部環状領域には、図５に示すように、複数の動圧溝９ａ１をスパイラル形状に配列した領域が形成される。ハウジング９の上方部外周には、上方に向かって漸次拡径する第１テーパ面９ｂが形成される。ハウジング９の下方部外周には円筒面９ｅが形成され、この円筒面９ｅがブラケット６の内周に、接着、圧入、溶着、あるいは溶接等の手段で固定される。ハウジング９の下端側を封口する蓋部材１１は、金属あるいは樹脂で形成され、ハウジング９の下端内周側に設けられた段部９ｄに、接着、圧入、溶着、あるいは溶接等の手段で固定される。

軸部材２は、例えば金属で形成される。軸部材２の下端には、抜止めとしてフランジ部２ｂが別体に設けられる。フランジ部２ｂは金属製で、例えばねじ結合、接着等の手段により軸部材２に固定される。

ハブ１０は、金属部としての芯金１３と、樹脂部１４とからなり、その形状は、ハウジング９の上端開口部を覆う円盤部１０ａと、円盤部１０ａの外周部から軸方向下方に延びる筒状部１０ｂと、筒状部１０ｂから外径側に突出する鍔部１０ｃとを備える。図示されていないディスクは、円盤部１０ａの外周に外嵌されると共に、鍔部１０ｃの上側端面に形成されたディスク搭載面１０ｄに載置される。そして、図示しない適当な保持手段（クランパなど）によってディスクがハブ１０に保持される。このように、樹脂製のハブ１０が芯金１３を有することにより、ハブ１０の強度が高められるため、ディスク搭載時のクランプ力等によるハブ１０の変形を防止できる。

ハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１は、ハウジング９の上端面９ａの動圧溝形成領域とスラスト軸受隙間を介して対向する。これらの面は、軸受装置の起動、停止時等の低速回転時に接触摺動するため、高い耐磨耗性が要求される。本実施形態では、ハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１に芯金１３が露出することにより、樹脂と比べて耐摩耗性の向上を図ることができる。

芯金１３は、例えばステンレス鋼の塑性加工（例えばプレス加工）で略円盤状に形成される。芯金１３は、図６に示すように、その内周面１３ａが軸部材２の外周面２ａに固定される。具体的には、芯金１３の内周面１３ａに軸部材２を圧入（軽圧入を含む）し、さらにこの嵌合面を溶接することにより両者が固定される。このとき、固定面となる芯金１３の内周面１３ａは凹凸面とされ、本実施形態では、複数の軸方向の凹部１３ａ１をステップ状に設けることにより、内周面１３ａに円周方向の凹凸を形成している。この凹部１３ａ１は、芯金１３のプレス加工と同時に形成することができる。

このように、芯金１３の内周面１３ａに凹部１３ａ１を設けることで、芯金１３の内周面１３ａに軸部材２を圧入する際、芯金１３と軸部材２との圧入面積を減少させることができる。これにより、圧入抵抗が軽減され、芯金１３の変形を回避することができる。特に、本実施形態のように、凹部１３ａ１を軸方向に設け、凹凸を円周方向に形成することにより、圧入時の軸方向の抵抗力に対する強度を高めることができる。

また、芯金１３の内周面１３ａに凹部１３ａ１を設けることで、芯金１３と軸部材２とを溶接する際、溶出した材料を芯金１３の内周面１３ａの凹部１３ａ１と軸部材２の外周面２ａとの間の隙間で補足することができる。これにより、溶出した材料が他の部分に流れ込むことによる不具合を防止することができる。

上記のようにして固定された芯金１３及び軸部材２をインサートして樹脂で射出成形することにより、ハブ１０の樹脂部１４が形成される。樹脂部１４は、例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ）、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）等の結晶性樹脂や、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の非晶性樹脂をベース樹脂とする樹脂組成物の射出成形で成形される。また、炭素繊維や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、目的に応じて上記ベース樹脂に適量配合したものを使用することもできる。

このとき、芯金１３の内周面１３ａに凹部１３ａ１が形成されていることにより、軸部材２の外周面２ａとの間に隙間が形成される。軸部材２とハブ１０との界面は、一端が大気に開放し、他端が軸受内部の潤滑油で満たされた空間に面するため、この隙間から潤滑油が外部へ漏れ出す恐れがある。上記のように、軸部材２及び軸部材２に固定した芯金１３をインサート部品として樹脂で射出成形することにより、射出した樹脂が軸部材２と芯金１３との間の隙間に流れ込み、この隙間を埋めることができるため、この隙間からの潤滑油の漏れ出しを防止できる。

筒状部１０ｂの内周面のうち、ハウジング９の外周上端に設けられた第１テーパ面９ｂと対向する部分には、上方へ向けて拡径した第２テーパ面１０ｂ１が形成される。この第２テーパ面１０ｂ１の軸方向に対するテーパ角は、第１テーパ面９ｂのテーパ角よりも小さく設定される。これにより、第１テーパ面９ｂと第２テーパ面１０ｂ１との間に、径方向寸法が上方に向かって漸次縮小するテーパ状のシール空間Ｓが形成される。このシール空間Ｓは、ハブ１０（軸部材２）の回転時、スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間の外径側と連通する。後述する潤滑油を流体軸受装置１内部に充満させた状態では、潤滑油は毛細管力によりシール空間Ｓの幅狭側に引き込まれるため、油面は常時シール空間Ｓの範囲内に保持される。また、シール空間Ｓの外周部が第２テーパ面１０ｂ１で形成されることで、シール空間Ｓ内の潤滑油に遠心力が加わった際、潤滑油がテーパ面１０ｂ１により上方へ向けて押し込まれるため、より確実に潤滑油をシール空間Ｓの内部に保持することができる。

ハブ１０の円盤部１０ａの上側端面１０ａ２には、クランパ穴１０ａ２０が設けられる。ディスクをディスク搭載面１０ｄに固定するためにクランパを軸部材２の上端部にねじ結合する際、このクランパ穴１０ａ２０に治具を挿入することにより、ハブ１０の廻り止めが行われる。クランパ穴１０ａ２０は、ハブ１０の円盤部１０ａの上側端面１０ａ２であれば、形成箇所及び数は限定されず、例えば円周方向等間隔の３箇所に設けられる。このクランパ穴１０ａ２０は、例えば機械加工により、あるいは樹脂部１４の射出成形と同時に型成形により形成される。

流体軸受装置１内部には、潤滑流体として例えば潤滑油が充満される。具体的には、軸部材２及びハブ１０と、軸受スリーブ８、ハウジング９、及び蓋部材１１との間に形成される空間のうち、シール空間Ｓよりも軸受内部側の空間が全て潤滑油で満たされる。このとき、油面はシール空間Ｓ内に保持される。この潤滑油としては、種々のものが使用可能であるが、ＨＤＤ等のディスク駆動装置用の流体軸受装置に提供される潤滑油には、その使用時あるいは輸送時における温度変化を考慮して、基油として低蒸発率及び低粘度性に優れたエステル系潤滑油、例えばジオクチルセバケート（ＤＯＳ）、ジオクチルアゼレート（ＤＯＺ）等を使用した潤滑油が好適に使用可能である。

上記構成の流体軸受装置１において、軸部材２の回転時、軸受スリーブ８の内周面８ａに形成された動圧溝８ａ１、８ａ２形成領域は、対向する軸部材２の外周面２ａとの間にラジアル軸受隙間を形成する。そして、軸部材２の回転に伴い、上記ラジアル軸受隙間の潤滑油が動圧溝８ａ１、８ａ２の軸方向中心側に押し込まれ、その圧力が上昇する。このように、第１ラジアル軸受部Ｒ１と第２ラジアル軸受部Ｒ２に設けられた動圧溝８ａ１、８ａ２によって生じる潤滑油の動圧作用によって、軸部材２をラジアル方向に非接触支持する。

これと同時に、軸受スリーブ８の下側端面８ｂの動圧溝８ｂ１形成領域とフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１との間、およびハウジング９の上端面９ａの動圧溝９ａ１形成領域とハブ１０の下側端面１０ａ１との間に、それぞれスラスト軸受隙間が形成される。これらのスラスト軸受隙間に形成される潤滑油膜の圧力が、第１スラスト軸受部Ｔ１と第２スラスト軸受部Ｔ２に形成された動圧溝８ｂ１、９ａ１の動圧作用により高められることにより、軸部材２及びハブ１０をスラスト方向に非接触支持する。

また、この実施形態では、軸受スリーブ８の外周面８ｄに軸方向溝８ｄ１が形成される。これにより、軸受内部に充満された潤滑油を循環させることが可能となり、局所的な負圧の発生に伴う気泡の生成等を回避できる。具体的には、ハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１と軸受スリーブ８の上側端面８ｃとの間の隙間、第１、第２ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２の軸受隙間、および第１スラスト軸受部Ｔ１の軸受隙間にそれぞれ充填された潤滑油が循環可能となる。この実施形態では、軸受スリーブ８の内周面８ａに形成された動圧溝８ａ１が軸方向で上下非対称に形成されることで、第１ラジアル軸受部Ｒ１の軸受隙間の潤滑油を下方へ押し込み、軸受内部の潤滑油を強制的に循環させる構成となっている（図３を参照）。このような強制的な循環が特に必要なければ、動圧溝８ａ１を軸方向で上下対称に形成してもよい。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明する。尚、以下の説明において、上記の実施形態と同様の構成、機能を有する箇所には同一符号を付し、説明を省略する。

上記の実施形態では、軸部材２と芯金１３との固定面のうち、芯金１３の内周面１３ａに軸方向の凹部１３ａ１を設け、この面を凹凸面としているが、これに限られない。例えば、これとは逆に、芯金１３の内周面１３ａを円筒面とし、軸部材２の外周面２ａのうち、芯金１３との固定面となる部分に凹部２ａ１を設け、この部分を凹凸面としてもよい（図７参照）。あるいは、軸部材２と芯金１３の双方の固定面を凹凸面としてもよい（図示省略）。このとき、対向する固定面の凹凸が円周方向で係合することにより、軸部材２と芯金１３との相対的な廻り止めとして機能することができる。また、これらの凹部１３ａ１、２ａ１の形状は、図６、図７に示すような断面矩形に限らず、断面三角形、半円形、あるいは波形等にしてもよい。また、上記では、凹部１３ａ１、２ａ１が軸方向に設けられているが、これに限らず、例えば点状、らせん状、あるいはローレット状に設けても良い。

また、上記の実施形態では、軸部材２の下端に設けられたフランジ部２ｂで、軸部材２の抜け止めを行っていたが、これに限られない。例えば、図８に示す流体軸受装置２１では、ハブ１０の内周に抜け止め部材１５を固定し、この抜け止め部材１５とハウジングとが軸方向で係合することにより、軸部材２及びハブ１０の抜け止めが行われる。この抜け止め部材１５は、例えば金属材料のプレス加工で断面略Ｌ字型に形成され、ハブ１０の筒状部１０ｂの内周面の上端に設けられた段部１０ｅに固定される。抜け止め部材１５の内周面１５ａは、対向するハウジング９の外周面上方の第１テーパ面９ｂとの間にシール空間Ｓを形成する。この内周面１５ａは、上方へ向けて拡径したテーパ状に形成され、上記実施形態の第２テーパ面１０ｂ１と同様の機能を果たす。

この流体軸受装置２１では、スラスト軸受部は一箇所のみに設けられ、具体的には、ハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１とハウジング９の上端面９ａとの間にスラスト軸受部Ｔが設けられる。ハウジング９はコップ状に形成され、その内底面９ｆには、径方向溝９ｆ１が設けられる。この径方向溝９ｆ１と、軸受スリーブ８の外周面８ｄに設けられた軸方向溝８ｄ１とで、軸部材２の下端面２ｃとハウジング９の内底面９ｆとの間の隙間と、ハブ１０の円盤部１０ａの下側端面１０ａ１と軸受スリーブ８の上側端面８ｃとの間の隙間とを連通している。

以上の実施形態では、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２、及びスラスト軸受部Ｔ１、Ｔ２（あるいはスラスト軸受部Ｔ、以下省略）として、へリングボーン形状やスパイラル形状の動圧溝により潤滑油の動圧作用を発生させる構成を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、ラジアル軸受部Ｒ１、Ｒ２として、図示は省略するが、軸方向の溝を円周方向の複数箇所に形成した、いわゆるステップ状の動圧発生部、あるいは、円周方向に複数の円弧面を配列し、対向する軸部材２の真円状外周面２ａとの間に、くさび状の径方向隙間（軸受隙間）を形成した、いわゆる多円弧軸受を採用してもよい。

あるいは、軸受スリーブ８の内周面８ａを、動圧発生部としての動圧溝や円弧面等を設けない真円内周面とし、この内周面８ａと対向する軸部材２の真円状外周面２ａとで、いわゆる真円軸受を構成することができる。

また、第１スラスト軸受部Ｔ１と第２スラスト軸受部Ｔ２の一方又は双方は、同じく図示は省略するが、動圧発生部が形成される領域（例えば軸受スリーブ８の下側端面８ｂ、ハウジング９の上端面９ａ）に、複数の半径方向溝形状の動圧溝を円周方向所定間隔に設けた、いわゆるステップ軸受、あるいは波型軸受（ステップ型が波型になったもの）等で構成することもできる。

また、以上の実施形態では、軸受スリーブ８の側にラジアル動圧発生部（動圧溝８ａ１、８ａ２）が、また、軸受スリーブ８やハウジング９の側にスラスト動圧発生部（動圧溝８ｂ１、９ａ１）がそれぞれ形成される場合を説明したが、これら動圧発生部が形成される領域は、例えばこれらに対向する軸部材２の外周面２ａやフランジ部２ｂの上側端面２ｂ１、あるいはハブ１０の下側端面１０ａ１の側に設けることもできる。なお、ラジアル動圧発生部は２箇所が連続的に設けられても良く、また、１箇所であっても良い。

また、以上の説明では、流体軸受装置１の内部に充満し、ラジアル軸受隙間や、スラスト軸受隙間に動圧作用を生じる流体として、潤滑油を例示したが、それ以外にも各軸受隙間に動圧作用を発生可能な流体、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、あるいは潤滑グリース等を使用することもできる。

また、上記の実施形態では、ハブ１０にディスクを載置し、流体軸受装置１をＨＤＤ等のディスク駆動装置に用いられるスピンドルモータとして使用しているが、これに限られない。例えば、ハブ１０にポリゴンミラーを装着し、流体軸受装置１をレーザビームプリンタのポリゴンスキャナモータの回転軸支持用に使用することもできる。あるいは、ハブ１０にカラーホイールを装着し、流体軸受装置１をプロジェクタのカラーホイールの回転軸支持用に使用することもできる。あるいは、ハブ１０にファンを設置（一体化）し、流体軸受装置１をファンモータとして使用することもできる。

流体軸受装置１を組込んだスピンドルモータの断面図である。 流体軸受装置１の断面図である。 軸受スリーブ８の断面図である。 軸受スリーブ８の下面図である。 ハウジング９の上面図である。 軸部材２及び芯金１３の平面図である。 他の例の軸部材２及び芯金１３の平面図である。 本発明の他の実施形態を示す流体軸受装置２１の断面図である。

符号の説明

１ 流体軸受装置
２ 軸部材
７ 軸受部材
８ 軸受スリーブ
９ ハウジング
１０ ハブ
１３ 芯金（金属部）
１３ａ 内周面
１３ａ１ 凹部
１４ 樹脂部
１１ 蓋部材
１２ ヨーク
Ｒ１、Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１、Ｔ２ スラスト軸受部
Ｓ シール空間

Claims (4)

1. 軸部材と、軸部材の外周面から外径方向へ突出させて設けたハブと、軸部材の外周面が面するラジアル軸受隙間に生じる潤滑流体の動圧作用で軸部材を回転可能に支持するラジアル軸受部とを備えた流体軸受装置において、
   ハブが金属部をインサート部品とした樹脂成形品であり、該金属部を軸部材の外周面に圧入固定し、且つ、金属部と軸部材の固定面のうち、少なくとも何れか一方を凹凸面としたことを特徴とする流体軸受装置。
2. ハブが、軸部材及び金属部をインサート部品とした樹脂成形品である請求項１記載の流体軸受装置。
3. 金属部と軸部材とを溶接により固定した請求項１記載の流体軸受装置。
4. 金属部を塑性加工により形成した請求項１記載の流体軸受装置。

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