JP2011047439A - 流体動圧軸受、流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置 - Google Patents

流体動圧軸受、流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】流体動圧軸受において、動圧溝の入り口付近における潤滑流体の負圧の発生を抑制し軸受の損傷を防止する。
【解決手段】流体動圧軸受の回転軸方向に沿って補助軸受部31、第1のラジアル軸受部22a、第2のラジアル軸受部22bが設けられ、補助軸受部31に形成された補助溝の深さは第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より溝の深さが浅く、補助軸受部31において対向するラジアル軸受面間の隙間の寸法は、第1のラジアル軸受部22aにおけるラジアル軸受面間の隙間の寸法以上に設定されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、磁気ディスク、光ディスク等の記録ディスクを回転駆動させるための流体動圧軸受、該流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置に関するものである。
記録ディスク駆動装置は、記録ディスクを回転駆動するために流体動圧軸受を用いたスピンドルモータを備えている。流体動圧軸受は、回転部材と静止部材との間の動圧溝を含む微小隙間に潤滑流体が充填されたスラスト軸受部およびラジアル軸受部を備えている。そして、スピンドルモータが回転すると流体動圧が発生し、回転部材が静止部材に対して浮上し非接触状態で回転する。
特許文献1には、界面を一つのみ有するフルフィル構造の動圧軸受であって、ラジアル軸受部の界面側に、スラスト軸受部側に向かう流体動圧を誘起する昇圧部を備え、一端がスラスト軸受部の圧力が最小となる位置の微少間隙に開口し、他端がラジアル軸受部と昇圧部との境界に位置する微少間隙に開口するバイパス通路を備えている動圧軸受が開示されている。
昇圧部はスパイラル状溝構造により構成されている。この昇圧部によってスラスト軸受部の外周部の負圧が解消される。なお、負圧が発生すると、潤滑流体内に溶け込んでいる空気が気泡化し、温度上昇等によって体積膨張して潤滑流体界面を押し上げて潤滑流体を軸受外部へと漏出させ、スピンドルモータの耐久性や信頼性に影響を与える。あるいは、発生した気泡が動圧発生溝に接触すると振動が発生したり、N R R O ( 非繰り返し性振れ) の悪化が生じたりするため、スピンドルモータの回転精度に影響を与えることが記載されている。
特許文献2に記載された構成では、一対のラジアル軸受部のうち、潤滑流体の界面とこれに隣接するラジアル軸受部との間において、スリーブの内周面及びシャフトの外周面の少なくとも一方の面に、相対回転時に潤滑流体をスラストプレート側に付勢し各軸受部間に位置する間隙中に保持される潤滑流体の内圧を常に大気圧以上に保つために、スパイラル状の動圧溝が形成されている。
このようなスパイラル状の動圧溝を設けることによって、スパイラル状の動圧溝のポンピングにより押し込み圧が生じて潤滑流体が軸受装置内側に付勢され、ラジアル軸受部間に位置する隙間中に保持される潤滑流体において負圧の発生を防止するようにしている。
特許文献3に開示された流体動圧軸受では、回転方向に規則的に繰り返す複数の動圧発生溝が、潤滑流体の移動先側経路における箇所よりも移動元側経路における箇所の方がより密に形成されている。動圧発生溝の折り返し点を境に、潤滑流体の移動先側経路における溝より移動元側経路における溝の方が密に形成されていることによって、ポンプ作用を向上させている。
より詳細には、ラジアル軸受部における潤滑流体の移動元側の気液界面は、ロータの回転時には動圧発生溝の下側経路の位置で安定する。ロータが回転すると、この気液界面において動圧発生溝の丘と溝とが連続的に繰り返され、ラジアル軸受面と回転軸の外周面との間隙の狭い広いを繰り返すことになる。従って、気液界面は脈動するように波打ちをする。そして、気液界面における動圧発生溝の数が少ない場合は波の数は少なく振幅は大きくなり、気液界面の波動が気泡を巻き込みやすくなる。
そこで、動圧発生溝のうち気液界面が位置する延長領域に第二の溝を形成してこの部分の溝数を増すことで、気液界面における波動の振幅が小さくなって気泡の巻き込みを発生しにくいことが記載されている。即ち、第二の溝の部分が、潤滑流体が満たされていない隙間部分に位置し、波打ちする気液界面を押し戻す作用をもたらしている。
また、下側のへリングボーン状の動圧溝の下端部に連続してスパイラル状の動圧溝が形成されており、ロータの回転時には、潤滑流体の気液界面は下端部の位置で落ち着くが脈動するように波打ちをし、気泡を巻き込みやすくなる。そこで、スパイラル状の動圧溝を界面よりも下側の位置に隣接して設けることにより、回転時に波打ちする潤滑流体の界面を軸受内側へ押し戻して気液界面における波動の振幅を小さくすることで気泡の巻き込みを低減し、潤滑流体の漏れを防止するようにしている。
即ち、特許文献3におけるスパイラル状の動圧溝は、回転時には潤滑流体の外側に位置しており、気液界面における波動の振幅が大きくなってスパイラル状の動圧溝に達したときに、そのポンピング力によって押し戻す働きをしている。
特許文献4に開示された構成では、動圧流体軸受のスリーブ内周面に軸方向に沿って距離を隔てて2ヶ所に刻設されたヘリングボーン状の動圧溝の両端に潤滑流体だまり段部を配置し、回転時の動圧で軸受両出口付近に潤滑流体を圧送するスパイラル状の動圧溝を配置している。さらに、へリングボーン状の動圧溝とスパイラル状の動圧溝およびヘリングボーン状の動圧溝同士の間に環状溝を設け、スパイラル状の動圧溝が潤滑流体を軸受内側へ圧送して潤滑流体漏れを防止するようにしている。
特許文献5では、界面を上下方向に二つ有する動圧流体軸受装置において、回転時の動圧で潤滑流体を軸方向内側へ圧送する方向に軸受の両端にそれぞれスパイラル状の動圧溝を刻設した構造が開示されている。ここでは、スパイラル状の動圧溝が潤滑流体を押し戻す際に、部分的に外部空気を巻き込んだとしても内部に送り込まれて潤滑流体不足による動圧低下を引き起こさないように、軸受内部の寸法を細かく規定している。
特許3955946号公報(特開2004−52987号公報) 特許第3984449号公報(特開2003−130042号公報) 特開2003−156035号公報 特開2007−107555号公報 特開2006−275077号公報
流体動圧軸受における動圧溝のポンピング作用によって動圧が発生し、潤滑流体は各軸受部の中心部側に引き込まれ、軸受部の中央部で流体動圧が極大となる。その反面、動圧溝の入り口付近では潤滑流体の内圧が低下する。動圧溝の深さが深いほど、またその軸受隙間が狭いほど動圧溝の入り口付近の圧力の低下が顕著となり、内圧が大気圧以下まで低下して負圧となる場合があった。
負圧が発生すると、潤滑流体中に気泡が発生しやすくなる。この気泡が、振動の発生やNRRO(非繰り返し性振れ成分)の悪化といった軸受性能の低下を引き起こし、スピンドルモータの回転精度に影響する虞がある。また、スピンドルモータが回転すると潤滑流体の温度が上昇するが、流体動圧軸受内に滞留した気泡は、高温時に熱膨張することによって潤滑流体を軸受装置外へ漏出させる虞があり、スピンドルモータの耐久性や信頼性に影響を及ぼす。したがって、気泡は好ましくない存在である。
しかし、特許文献1には、昇圧部に形成されたスパイラル状の動圧溝自体の入り口付近に発生する負圧の問題について、全く記載されていない。また、特許文献2においても、潤滑流体界面と隣接するスパイラル状の動圧溝自体の入り口付近における負圧の発生を解消することについては、言及されていない。
特許文献3に記載された軸受では、上述したようにスパイラル状の動圧溝が回転時に潤滑流体の外側に位置し、気液界面における波動の振幅が大きくなってスパイラル状の動圧溝に達したときにポンピング力を発生して押し戻すようにしているが、潤滑流体内の負圧を防止する機能は有していない。
特許文献4記載の軸受では、上述のようにへリングボーン状の動圧溝とスパイラル状の動圧溝およびヘリングボーン状の動圧溝同士の間に環状溝が設けられており、スパイラル状の動圧溝が潤滑流体を軸受内側へ圧送して潤滑流体漏れを防止する効果を奏するが、スパイラル状の動圧溝自体に発生する負圧の解消については記載されていない。
特許文献5では、回転時にスリーブ部材内部方向に動圧を発生する動圧溝が設けられた構造が記載されているが、上下の界面を連通させて潤滑流体を循環させるための経路が設けられておらず、スパイラル状の動圧溝自体の入り口付近において負圧が発生しやすい状態を解消する手段について開示されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、動圧溝の入り口付近における潤滑流体の負圧の発生を抑制し、耐久性や信頼性を向上させることが可能な流体動圧軸受、流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の流体動圧軸受は、
一方側がベースプレートに対して相対的に固定され、他方側にフランジ部が設けられた固定シャフトと、
前記固定シャフトの外周面に位置する第1のラジアル軸受面に対して第1の隙間を隔てて対向する第2のラジアル軸受面を有し、前記固定シャフトに対して相対的に回転可能に支持されたラジアル軸受構成部材と、
前記ラジアル軸受構成部材の一方の端面に位置する第1のスラスト軸受面に対して、前記第1の隙間と連通した第2の隙間を隔てて対向する第2のスラスト軸受面を有し、前記ベースプレートに対して相対的に固定されたスラスト軸受構成部材と、
前記ラジアル軸受構成部材に設けられ、前記第2の隙間と前記ラジアル軸受構成部材の他方の端面と前記フランジ部の一方の端面との間に形成された第3の隙間とを連通させるための連通孔と、
前記第1の隙間、前記第2の隙間、前記第3の隙間および前記連通孔に連続的に充填された潤滑流体と、
を備え、
前記第1のラジアル軸受面又は前記第2のラジアル軸受面のいずれか一方における少なくとも一箇所にラジアル動圧溝が形成されてラジアル軸受部が設けられ、
前記第1のスラスト軸受面又は前記第2のスラスト軸受面のいずれか一方にスラスト動圧溝が形成されてスラスト軸受部が設けられ、
前記フランジ部と前記ラジアル軸受部との間における、前記第1のラジアル軸受面又は前記第2のラジアル軸受面のいずれか一方に前記潤滑流体を前記フランジ部側から前記ラジアル軸受部側に向かって昇圧する補助溝が形成された補助軸受部が設けられ、
前記補助溝は前記ラジアル動圧溝より溝の深さが浅く、前記補助軸受部における前記第1の隙間の寸法は、前記ラジアル軸受部における前記第1の隙間の寸法以上であることを特徴とする。
本発明の流体動圧軸受は、前記ラジアル軸受部が前記補助軸受部に近接した第1のラジアル軸受部と、前記第1のラジアル軸受部と軸方向に離間した第2のラジアル軸受部とを有する場合がある。
本発明のスピンドルモータは、上記流体動圧軸受と、前記ラジアル軸受構成部材を含むロータ部を回転駆動させる駆動装置とを備えることを特徴とする。
本発明の記録ディスク駆動装置は、上記スピンドルモータと、前記ロータ部の外周面に取り付けられ、前記駆動装置により前記ラジアル軸受構成部材と共に回転駆動される記録ディスクとを備えることを特徴とする。
本発明の流体動圧軸受、流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置によれば、補助軸受部が設けられたことにより、第1のラジアル軸受部の第1のラジアル動圧溝の端部における負圧の発生が防止され、また補助軸受部の補助溝が第1のラジアル軸受部の第1のラジアル動圧溝より溝の深さが浅く、補助軸受部の隙間の寸法が第1のラジアル軸受部における隙間の寸法以上であることにより、補助軸受部の補助溝自体の端部における負圧の発生を低減することができる。これにより、軸受全体における負圧の発生を抑制することができる。
本発明の実施の形態1による流体動圧軸受、流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置の主要部における断面構造を示した縦断面図。 同流体動圧軸受におけるスラスト軸受面に設けられたスパイラル状の動圧溝の一例を示した平面図。 同実施の形態1における補助軸受部を含む流体動圧軸受の主要部の断面構造を示した縦断面図。 同実施の形態1による流体動圧軸受におけるヘリングボーン状の動圧溝とスパイラル状の動圧溝とにおける潤滑流体の流れを示す説明図。 比較例による流体動圧軸受における潤滑流体の圧力分布を示すグラフ。 同実施の形態1による流体動圧軸受における潤滑流体の圧力分布を示すグラフ。 本発明の実施の形態2による流体動圧軸受の断面構造を示した縦断面図。 本発明の実施の形態3による流体動圧軸受の断面構造を示した縦断面図。 本発明の実施の形態4による流体動圧軸受の断面構造を示した縦断面図。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(1)実施の形態1
本発明の実施の形態1による流体動圧軸受、またこの流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにこのスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置について説明する。
図1に、本発明の実施の形態1による流体動圧軸受、これを備えるスピンドルモータの主要部分における縦断面構造を示す。スピンドルモータは、記録ディスクを駆動するための記録ディスク駆動装置に用いられる。
このスピンドルモータは、円筒状の開口部にブッシングに相当するスラスト軸受構成部材16が嵌合されたベースプレート10を備えている。
スラスト軸受構成部材16は、ほぼカップ状の形状として、底部と、底部から図中上方に向かって連続する環状壁部を有し、環状壁部に囲まれた底部中央に設けられた支持孔には固定シャフト12が取り付けられている。固定シャフト12の上側端部には、環状に、かつ固定シャフト12と一体に形成されたフランジ部18が配置されている。図示されないが、フランジ部18の先端部分の端面には、スピンドルモータを記録ディスク駆動装置のハウジング蓋と結合するためのねじ穴が開孔されている。
固定シャフト12の周囲には、固定シャフト12に対して相対的に回転可能に挿入されたスリーブ14aが設けられており、このスリーブ14aの上端部外周面には中央が開孔されてフランジ部18の先端部分が挿入された、カップ状の形状を有するカバー部30が固定されている。
ここで、スリーブ14aの図中上端部では、固定シャフト12のフランジ部18を収容するためにこの収納箇所では内周面が拡径しており、さらにカバー部材30の環状壁部と嵌合する箇所では外周面が縮径している。
スリーブ14aの上端部の内側端面は、固定シャフト12のフランジ部18の下面と微小隙間(第3の隙間)を隔てて対向しており、またスリーブ14aの下端面はスラスト軸受構成部材16の内側底面と微小隙間(第2の隙間)を隔てて対向している。
このようにして、スリーブ14aはフランジ部18の下面とスラスト軸受構成部材16の内側底面との間の空間に回転可能に配置されている。また、スリーブ14aの上部外周面には、記憶ディスクが積載されるロータハブ14bが取り付けられる。尚、本実施の形態1では、スリーブ14aがラジアル軸受構成部材を構成する。また、スリーブ14aとロータハブ14bとでロータ部を構成する。なお、ロータ部を構成するスリーブ14aとロータハブ14bは一体に構成されてもよい。
スラスト軸受構成部材16の底部は、固定シャフト12の下端部が嵌合されるための支持孔を有する。この底部は、固定シャフト12を確実に固定するために必要な厚さと剛性とを有している。スラスト軸受構成部材16の環状壁は、その外周面がベースプレート10に設けられた円筒部の内周面に嵌合されて固定される。また、その内周面はスリーブ14aの下端部外周面を取り囲んでいる。
尚、固定シャフト12とスラスト軸受構成部材16との間、ならびにスラスト軸受構成部材16とベースプレート10との間には接着剤を塗布してもよい。その場合、嵌合部分のいずれか一方の面に溝を設けると接着剤が嵌合部分において保持されやすくなるので望ましい。
尚、この実施の形態1では、固定シャフト12、スリーブ14a、カバー部材30およびスラスト軸受構成部材16がそれぞれ単体部品で構成されている。このため、予めこれらを組み付けて単体の流体動圧軸受を製造することができる。その後に、ベースプレート10とロータハブ14bを取り付けることで、スピンドルモータを得ることができる。
固定シャフト12、スリーブ14aおよびスラスト軸受構成部材16のそれぞれの間には、両端が開口した微小隙間が形成され、例えばエステル油等の潤滑流体が途切れることなく連続的に充填されている。
互いに対向するスリーブ14aの上端部の拡径した内周面とフランジ部18の外周面の間の微小隙間の上側開口端には、テーパ状に図中上方に向かって徐々に広がる隙間32によって第1の毛細管シール部が形成されている。上側の潤滑流体の界面は、この第1の毛細管シール部内に位置する。
隙間32は実質的に回転軸46と平行な方向に延在しており、回転軸46に対して相対的に好ましくは内方に向かって傾いたフランジ部18の外周面及びスリーブ14aの拡径内周面の相互に対向する2つの表面によって形成されている。これにより潤滑流体が、流体動圧軸受の回転動作中において遠心力によって図中下方の軸受隙間20の方向へ押圧される。
さらに、カバー部材30と固定シャフト12の先端部分との間の隙間において、ラビリンスシール48が形成されており、空気の交換及びこれに伴う潤滑流体の蒸発が低減される。これにより、隙間32の潤滑流体が外に漏出するのをより効果的に防止することができる。
互いに対向するスリーブ14aの下端部の外周面とスラスト軸受構成部材16の環状壁内周面との間の微小隙間の下側開口端には、テーパ状に図中上方に向かって徐々に広がる隙間によって第2の毛細管シール部が形成され、さらにこれに連続する潤滑流体保持空間34が形成されている。下側の潤滑流体の界面は、この第2の毛細管シール部内に位置する。
潤滑流体保持空間34は、軸受隙間20より広い半径方向に延在する領域であり、この領域は、スリーブ14aの外周面及びスラスト軸受構成部材16の内周面によって形成される、ほぼ回転軸46方向に延在するテーパ状開口領域へと連続している。この潤滑流体保持空間34は、毛細管シールとしての機能に加えて、流体貯溜部としての機能を有する。このようにして、潤滑流体が蒸発により失われても、軸受としての耐用寿命に必要とされる流体量を確保することができる。
通常は、第2の毛細管シール部の働きによって、下側開口端における潤滑流体の漏出が防止される。仮に、潤滑流体が第2の毛細管シール部を越えた場合であっても、潤滑流体保持空間34内に収まるため、漏出は防止される。さらに、スリーブ14aの上端側の微小隙間、即ち、フランジ部18の下面とスリーブ14aとの間の隙間と、スリーブ14aの下端側のスラスト軸受部26の隙間との間に、矢印29で示された方向に潤滑流体を流す連通孔28を回転軸46に対して上方から下方に向かって外側に傾いた斜め方向に設けることにより、潤滑流体が円滑に循環する。このため、流体動圧軸受が動作し潤滑流体内に気泡が発生したり、気泡が熱膨張したような場合であっても、気泡は循環経路に沿って隙間32から外部に速やかに排除されるか、または連通孔28内に移動する。連通孔28内では気泡は遠心力によって下方に導かれ、潤滑流体保持空間34から外部に速やかに排除することができる。この結果、負圧により発生した気泡あるいは温度上昇によって膨張した気泡が原因となって潤滑流体を漏出させる現象、振動の発生やNRROの悪化などが回避される。
また、潤滑流体保持空間34は、潤滑流体の充填量の公差を補償することができる。この潤滑流体保持空間34のテーパ状領域を形成するスリーブ14a及びスラスト軸受構成部材16の両方の対向面は、それぞれ回転軸46に対して相対的に内方に向かって傾いている。これにより、潤滑流体は軸受の回転中において遠心力により下側方向への分力が発生するので、軸受隙間20の方向へ押圧されることとなる。
固定シャフト12の外周面と、本実施の形態1においてラジアル軸受構成部材に相当するスリーブ14aの内周面との間には、ラジアル方向の動圧を発生させるために、固定シャフト12の回転軸46に沿った図中上下方向に離間した第1のラジアル軸受部22aおよび第2のラジアル軸受部22bが構成されている。
より詳細には、固定シャフト12の回転軸46方向に沿って、スリーブ14aの内周面中央付近に配置された円周溝からなる第2の周溝部24によって上下に分離されたスリーブ14aの二つのラジアル軸受面は、数ミクロンの間隔の軸受隙間20(第1の隙間)を形成しながら固定シャフト12を包囲するとともに、適当な動圧溝構造を備えている。これにより、固定シャフト12の回転軸46方向に沿って上下に分離されそれぞれ対向する第1のラジアル軸受部22aおよび第2のラジアル軸受部22bを構成するようになっている。
尚、本実施の形態1のラジアル動圧溝構造は、スリーブ14aのラジアル軸受面に形成されているが、固定シャフト12のラジアル軸受面に形成されていてもよい。
第1のラジアル軸受部22a、第2のラジアル軸受部22bにそれぞれ形成された動圧溝構造は、例えば潤滑流体を回転軸46に沿って上方に向かって送出する図1で示すような半正弦波形、あるいは図4に示すような「く」の字形のヘリングボーン形状を有する複数の動圧溝を有している。
第2のラジアル軸受部22bの図中下側には、半径方向に延在するスリーブ14aのスラスト軸受面、およびこれに対応して対向するスラスト軸受構成部材16のスラスト軸受面が形成されており、これらのスラスト軸受面は、固定シャフト12の回転軸46に対して直交する円環状の軸受面を有するスラスト軸受部26を構成する。
スラスト軸受部26において、潤滑流体を矢印27で示された回転軸46の中心へ向かって送出してスラスト方向の動圧を発生させるスパイラル状の動圧溝構造が、スリーブ14aのスラスト軸受面またはスラスト軸受構成部材16のスラスト軸受面、あるいはその両方のスラスト軸受面に形成されている。また、このスパイラル状の動圧溝構造は、スリーブ14aのスラスト軸受面の一部領域に設けることもできる。しかし、より動圧を全域に渡って発生させるためには、この面全域にわたって、即ち内縁部から外縁部まで延在するように形成することが望ましい。
図2に、スリーブ14aの下端面におけるスラスト軸受面に設けられたスパイラル状の動圧溝の一例を示す。図2(a)にスラスト軸受面の平面、図2(b)に図2(a)における一点鎖線Xにおける縦断面の表面部分を示す。このように、複数の溝14a1と凸状のランド14a2とが交互にスパイラル状に設けられている。しかし、このスラスト軸受面の形状は一例であって、動圧を発生し得る構造であれば他の形状であってもよい。
この動圧溝構造により、スラスト軸受部26の半径方向内側の位置から半径方向外側の位置へ、流体圧力が連続的に減少していく。このように、半径方向外側に向かって減少していく圧力勾配により、潤滑流体に気泡が発生したような場合であっても、その気泡が半径方向外側に向かって導かれ、スラスト軸受部26から潤滑流体保持空間34に向かって排出される。
尚、本実施の形態1では、スラスト軸受部26がスパイラル状の動圧溝構造を有する場合について説明したが、動圧を発生し得る形状であればスパイラル状には限定されない。
スピンドルモータの電磁駆動装置は、ベースプレート10の円筒部に配置されたステータ構造42と、ロータハブ14bの内周面に配置され、隙間を介してステータ構造42を取り囲む環状の永久磁石44とによって構成されている。ステータ構造42のコイルに電流が流れると、ロータハブ14bとスリーブ14aとを含むロータ部が回転する。これにより、第1のラジアル軸受部22a及び第2のラジアル軸受部22b、ならびにスラスト軸受部26において動圧が発生し、ロータ部が浮上して非接触状態で支持されながら回転する。
このスピンドルモータはスラスト軸方向に関し、流体動圧によって上方向にロータ部を浮上させる力を生成するスラスト軸受部26のみ有し、下方向に力を生成する軸受部分は有していない。
そこで、スラスト軸方向で上下の力の均等がとれるように相応の反力や初期荷重を付与する必要がある。本実施の形態1では、ベースプレート10に、永久磁石44に軸方向において対向し、磁気的に吸引される強磁性リング40を設けている。この磁気吸引力は、スラスト軸受部26に発生する流体動圧による上方向の力と反対向きに下方向に作用するものであり、これによりスラスト軸方向における力の均等がとれるため、ロータの過浮上が避けられ、安定的にロータ部を回転することができる。
ところで、上述したように隙間32により形成された第1の毛細管シール部と第1のラジアル軸受部22aとの間の空間と、潤滑流体保持空間34により形成された第2の毛細管シール部と第2のラジアル軸受部22bとの間の空間とが連通孔28により連通している。流体動圧軸受が回転すると、スラスト軸受部26のスパイラル状の動圧溝が、潤滑流体をスリーブ14aの中心方向に圧送する。また、第2のラジアル軸受部22bの動圧溝が、潤滑流体を矢印23で示されたようにさらに上方へ押し出す。
これにより、潤滑流体保持空間34により形成された第2の毛細管シール部内の液面を下降させ、隙間32により形成された第1の毛細管シール部内の液面を上昇させようとする力が働くので潤滑流体の外部漏出が起きやすくなる。そこで、斜めに設けられた連通孔28により、第1の毛細管シール部に向かう流れを遠心力によって矢印29で示されたように図中下方へ導き、外部漏出を生じにくくさせている。
しかしながら、このままの構造では第1のラジアル軸受部22aに形成されたラジアル動圧溝の上端部において負圧が生じやすくなる。
図3に、本実施の形態1の流体動圧軸受における第1のラジアル軸受部22aの周辺部を拡大して示す。第1のラジアル軸受部22aとフランジ部18の下面との間に、第1のラジアル軸受構成部材の負圧を解消するために、スパイラル状で潤滑流体をフランジ部18側から第1のラジアル軸受部22a側に向かって昇圧する補助動圧溝が形成された補助軸受部31を設けている。
ここで、補助軸受部31におけるスパイラル状の動圧溝の深さと第1のラジアル軸受部22aにおけるラジアル動圧溝の深さを同じにした場合は、スパイラル状の補助溝によって、第1のラジアル軸受部22aにおける動圧溝の端部を含む各軸受の構成要素間に存在する隙間内に保持される潤滑流体の内圧を上げて大気圧以上に保つことができる。しかし、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の入り口の端部付近には負圧が発生する。
そこで本実施の形態1では、スパイラル状の補助溝における潤滑流体の入り口における圧力の低下をできるだけ抑制するために、スパイラル状の補助溝の深さを、隣接する第1のラジアル軸受部22aに設けられたラジアル動圧溝の深さより浅くしている。尚、スパイラル状の補助溝は、補助軸受部31を構成するスリーブ14aの内周面、あるいはこれに対向する固定シャフト12の外周面のいずれかに形成されている。
補助軸受部31における隙間の寸法は、第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上である。これにより、第1のラジアル軸受部22aの上端部の負圧発生を抑制するとともに、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の上端部にも負圧が発生するのをよりいっそう抑制することができる。
補助軸受部31と第1のラジアル軸受部22aとにおけるスリーブ14aのそれぞれの内径は、同一とする。
第1のラジアル軸受部22aとそれに隣接する補助軸受部31との間には、円周溝から成る第1の周溝部33がある。この第1の周溝部33に設けられた円周溝の深さは、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の深さ以上である。また、第1のラジアル軸受部22aと第2のラジアル軸受部22bとの間には、上述したように第2の周溝部24が設けられている。これらの第1、第2の周溝部33、24は、図中上下に隣接する箇所よりも円周溝によって拡大された隙間を有している。狭い隙間の領域の間にこのような広い隙間が設けられていることで、それぞれの狭い隙間における溝端部付近の圧力低下が抑制される。
補助軸受部31のスパイラル状の動圧溝の入り口端部、即ちスリーブ14aの図中上部端面あるいは固定シャフト12のフランジ部18との境界におけるスパイラル状の補助溝の端部は、スリーブ14aの上端面とフランジ部18の下端面との間の隙間に直接連結している。そこで、スリーブ14aの上端面と補助軸受部の境界に面取りをすることが望ましい。より詳細には、スパイラル状の補助溝が固定シャフト12側には形成されておらずスリーブ14aに形成されている場合は、スリーブ14aの上端面まで溝が切られた構造となっている。スパイラル状の補助溝が固定シャフト12側に形成されておりスリーブ14aには形成されていない場合は、スリーブ14aの上端面を超えてよりフランジ部18に近づいた位置まで溝が切られた状態にある。
図4に示されたように、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝102の出口103付近における圧力の低下を抑制するため、スパイラル状補助溝をスリーブ14aの上端面とフランジ部18の下端面との間の隙間に直接連結させた構造とする。
同様に、第1のラジアル軸受部22aにおける半正弦波形またはヘリングボーン状の動圧溝101の入り口104付近における圧力の低下を抑制するため、半正弦波形またはヘリングボーン状の動圧溝101の端部を第1の周溝部33の隙間に連結させた構造とする。これにより、第1のラジアル軸受部22aにおける負圧を抑制するために必要な補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝により発生させる増圧分も小さくて済むので、補助軸受部31の軸方向の長さを最小限に抑えることができ、流体動圧軸受全体の回転軸46の長さを減少させることができる。
また、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝101の入り口付近104の負圧を相殺するために補助軸受部31のスパイラル状の補助溝102で増圧分を実現するための補助軸受部31のスパイラル状の補助溝102の長さ、深さ、隙間寸法等を必要に応じて調整して設定することができる。
さらに、第1のラジアル軸受部22aにおけるラジアル動圧溝の下端入り口105付近における圧力の低下を抑制するために、ラジアル動圧溝の下端部を第2の周溝部24の隙間に連結させた構造とする。同様に、第2のラジアル軸受部22bにおけるラジアル動圧溝の入り口付近における圧力の低下を抑制するため、第2のラジアル軸受部22bにおけるラジアル動圧溝の上端部および下端部を第2の周溝部24の隙間および第3の周溝部25の隙間に連結させた構造とする。
尚、潤滑流体の循環を妨げないように、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝による潤滑流体への押し込み力が、補助軸受部31を設けないときの潤滑流体の元々の流れ方向(図3中に矢印で示された方向)を変更しない程度になるような大きさに設定することが望ましい。
第1の周溝部33を設けて、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝101を第1の周溝部33に連結した構造にすることによって、第1の周溝部33における圧力が均一になる。この結果、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝102の必要本数を少なくすることもでき、スパイラル状の補助溝102の周方向ずれに対する加工精度の要求も低くなるので、加工コストを低減させることができる。
スリーブ14aにおける補助軸受部31の内径を第1のラジアル軸受部22aの内径と同一にしたことにより、補助軸受部31に起因する回転トルクを最小限度に抑えることができる。また、内径が同一であることから、スリーブ14aの加工が容易になりコストが低減される。
図5に、比較例による流体動圧軸受として、補助軸受部が設けられていない場合における各部の潤滑流体の圧力分布の相対的な関係を点線で示す。
回転軸46方向に沿って、下部に位置する潤滑流体保持空間34による第2の毛細管シール部は、大気圧状態にある。スラスト軸受部26から徐々に圧力が上昇し、第2のラジアル軸受部22bではそのほぼ中央部で最も圧力が高くなる。第2のラジアル軸受部22bと第1のラジアル軸受部22aとの間に位置する第2の周溝部24において圧力が低下して一定となる。第1のラジアル軸受部22aにおいて、そのほぼ中央部で最大値をとり、第1の毛細管シール部との接続箇所において大気圧より低い最小値となる。即ち、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近において負圧が発生する。隙間32による第1の毛細管シール部では、第2の毛細管シール部と同様に大気圧で一定となる。
これに対し本実施の形態1では、第1のラジアル軸受部22aと第1の毛細管シール部との間に補助軸受部31が設けられたことにより、図6に示された実線のような圧力分布となる。第1及び第2の毛細管シール部、スラスト軸受部26、第2のラジアル軸受部22b、第1のラジアル軸受部22aにおける圧力分布は、図5に示されたものとほぼ同様である。
しかし、補助軸受部31が設けられたことにより、補助軸受部31との境界に近い第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近において負圧の発生が防止される。
さらに、補助軸受部31において、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より浅いスパイラル状の補助溝が設けられたこと、また補助軸受部31の隙間の寸法を第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上としたことにより圧力低下の傾きが緩やかになる。この結果、補助軸受部31と第1の毛細管シール部との境界に近いスパイラル状の補助溝の入り口付近において負圧の発生が抑制され、ほぼ大気圧が維持されることとなる。
このように、本実施の形態1によれば補助軸受部31を設けたことにより、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近において発生していた負圧が低減されることが分かる。またこれにより、流体動圧軸受全体における負圧が抑制され改善されることが分かる。
(2)実施の形態2
本発明の実施の形態2による流体動圧軸受、またこの流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにこのスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置について説明する。図7に、同実施の形態2における主要部分の縦断面構造を示す。
図3に示された上記実施の形態1と比較し、補助軸受部31と第1のラジアル軸受部22aとの間に第1の周溝部が設けられておらず、補助軸受部31と第1のラジアル軸受部22aとが直接連結するように連続的に設けられている点で相違する。そして、補助軸受部31と第1のラジアル軸受部22aとの境界において、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝のピッチsと、第1のラジアル軸受部22aのヘリボーン状のラジアル動圧溝のピッチtとの間には、t=n*s(nは1以上の整数)が成立する。
また、補助軸受部31の最高圧力部分は第1のラジアル軸受部22aの最低圧力部分とより近いほど、ラジアル軸受部22aの負圧を相殺するために必要な増圧分がより小さくなるので、補助軸受部31の軸方向の長さを最小限に抑えることができる。
実施の形態2では、上記実施の形態1と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の深さは、第1のラジアル軸受部22aにおけるラジアル動圧溝の深さより浅い。
また、補助軸受部31における隙間の寸法は第1のラジアル軸受部22aにおける隙間の寸法以上である。
また、上記実施の形態1と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の動圧溝の入り口端部、即ちスリーブ14aの図中上部端面あるいは固定シャフト12のフランジ部18との境界におけるスパイラル状の補助溝の端部は、スリーブ14aの上端面とフランジ部18の下端面との間の隙間に直接連結している。そこで、スリーブ14aの上端面と補助軸受部31の境界に面取りをすることが望ましい。
本実施の形態2においても、補助軸受部31が設けられたことにより、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近における負圧の発生が防止される。またスパイラル状の補助溝が第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より溝の深さが浅いこと、あるいは補助軸受部31の隙間の寸法が第1のラジアル軸受部22aにおける隙間の寸法以上であることにより、スパイラル状の補助溝の潤滑流体をフランジ部側からラジアル軸受部側に向かって昇圧する効果によって軸受装置全体のそれぞれの隙間内部の圧力を高めると共に、スパイラル状の補助溝自体の入り口付近における負圧の発生を防止することができる。
スリーブ14aにおける補助軸受部31の内径を第1のラジアル軸受部22aの内径と同一にしたことにより、補助軸受部31に起因する回転トルクを最小限度に抑えることができる。また、内径が同一であることから、スリーブ14aの加工が容易になりコストが低減される。
尚、潤滑流体の循環を妨げないように、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝による潤滑流体への押し込み力が、補助軸受部31を設けないときの潤滑流体の元々の流れ方向(図7中に矢印で示された方向)を変更しない程度になるような大きさに設定することが望ましい。
(3)実施の形態3
本発明の実施の形態3による流体動圧軸受、またこの流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにこのスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置について説明する。図8に、同実施の形態3における主要部分の縦断面構造を示す。
図3に示された上記実施の形態1と比較し、補助軸受部31におけるスリーブ14aの内径が、第1のラジアル軸受部22aにおけるスリーブ14aの内径よりも大きくなっており、これに伴い補助軸受部31における隙間寸法を適切にするため補助軸受部31における固定シャフト12の外径を拡径している点で相違する。
上記実施の形態1、2と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の深さは、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より溝の深さが浅い。また、補助軸受部31の隙間の寸法は第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上である。
上記実施の形態1、2と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の図中上部における入り口端部は、スリーブ14aの上端面と固定シャフト12のフランジ部18の下端面との間の隙間に直接連結している。そこで、スリーブ14aの上端面と補助軸受部31の境界に面取りをすることが望ましい。
第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝と補助軸受部31のスパイラル状の補助溝とは、上記実施の形態1と同様に、その間に設けられた第1の周溝部33に連結された構造になっている。
本実施の形態3においても、補助軸受部31が設けられたことにより、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近における負圧の発生が防止される。またスパイラル状の補助溝が第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より溝の深さが浅いこと、または補助軸受部31の隙間の寸法は第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上であることにより、スパイラル状の補助溝が潤滑流体をフランジ部側からラジアル軸受部側に向かって昇圧する効果によって軸受装置全体のそれぞれの隙間内部の圧力を高めると共に、スパイラル状の動圧溝自体の入り口付近における負圧の発生を防止することができる。
第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝が第1の周溝部33に連結した構造であることにより、第1のラジアル軸受部22aの負圧を相殺するために補助軸受部31のスパイラル状の補助溝に要求される増圧分が小さくなり、補助軸受部31の軸方向の長さを最小限に抑えることができる。
第1の周溝部33を設けたので、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝と補助軸受部31のスパイラル状の補助溝とがそれぞれ第1の周溝部33に連結した構造となっている。これにより、第1の周溝部33における圧力が均一になる。この結果、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の必要本数を少なくすることができ、スパイラル状の補助溝の周方向ずれに対する加工精度の要求も低くなるので、加工コストを低減させることができる。
尚、潤滑流体の循環を妨げないように、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝による潤滑流体への押し込み力が、補助軸受部31を設けないときの潤滑流体の元々の流れ方向(図8中の矢印で示された方向)を変更しない程度になるような大きさに設定することが望ましい。
(4)実施の形態4
本発明の実施の形態4による流体動圧軸受、またこの流体動圧軸受を備えるスピンドルモータ、並びにこのスピンドルモータを備える記録ディスク駆動装置について説明する。図9に、同実施の形態4における主要部分の縦断面構造を示す。
図3に示された上記実施の形態1と比較し、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝の図中下端、即ち第1の周溝部33との境界に位置する出口付近が、第1の周溝部33に連結した構造ではない点で相違する。
このように、本実施の形態4は上記実施の形態1において補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の下端が第1の周溝部33に連結した構造を有していないものに相当し、同様に上記実施の形態3においてこの構造を適用し、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の下端が第1の周溝部33に連結した構造を有していないものとすることができる。図9に示された本実施の形態4の場合、スリーブ14aの補助軸受部31の内径と第1のラジアル軸受部22aの内径とは同一である。
上記実施の形態1、2、3と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の深さは、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝より溝の深さが浅い。
上記実施の形態1、2、3と同様に、補助軸受部31の隙間の寸法は第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上である。
上記実施の形態1、2、3と同様に、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の図中上部における入り口端部は、スリーブ14aの上端面と固定シャフト12のフランジ部18の下端面との間の隙間に直接連結している。そこで、スリーブ14aの上端面と補助軸受部31の境界に面取りをすることが望ましい。
第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口は、上記実施の形態1、3と同様に、その間に設けられた第1の周溝部33に連結した構造になっている。
本実施の形態4においても補助軸受部31が設けられたことにより、スパイラル状の補助溝の出口は第1の周溝部33に連結した構造を有してはいないが、第1の周溝部33における圧力が高められて、第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝の入り口付近における負圧の発生が防止される。またスパイラル状の補助溝は第1のラジアル軸受部22aの動圧溝より溝の深さが浅いこと、または補助軸受部31の隙間の寸法が第1のラジアル軸受部22aの隙間の寸法以上であるにより、スパイラル状の補助溝の潤滑流体をフランジ部側からラジアル軸受部側に向かって昇圧する効果によって軸受装置全体のそれぞれの隙間内部の圧力を高めると共に、スパイラル状の補助溝自体の入り口付近における負圧の発生を防止することができる。
第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝が第1の周溝部33に連結した構造であることにより、第1のラジアル軸受部22aの負圧を相殺するために補助軸受部31のスパイラル状の補助溝に要求される増圧分が小さくなり、補助軸受部31の軸方向の長さを最小限に抑えることができる。
第1のラジアル軸受部22aのラジアル動圧溝が第1の周溝部33に連結した構造であることにより、第1の周溝部33における圧力が均一になる。この結果、補助軸受部31のスパイラル状の補助溝の必要本数を少なくすることができ、スパイラル状の補助溝の周方向ずれに対する加工精度の要求も低くなるので、加工コストを低減させることができる。
スリーブ14aの補助軸受部31の内径を第1のラジアル軸受部22aの内径と同一にしたことにより、補助軸受部31に起因する回転トルクを最小限度に抑えることができる。また、内径が同一であることから、スリーブ14aの加工が容易になりコストが低減される。
尚、潤滑流体の循環を妨げないように、補助軸受部31におけるスパイラル状の補助溝による潤滑流体への押し込み力が、補助軸受部31を設けないときの潤滑流体の元々の流れ方向(図9中の矢印で示された方向)を変更しない程度になるような大きさに設定することが望ましい。
上記実施の形態はいずれも一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の技術的範囲内において様々に変形することが可能である。
10 ベースプレート
12 固定シャフト
14a スリーブ
14b ロータハブ
16 スラスト軸受構成部材
18 フランジ部
20 軸受隙間
22a 第1のラジアル軸受部
22b 第2のラジアル軸受部
24 第2の周溝部
25 第3の周溝部
26 スラスト軸受部
23、27、29 矢印
28 連通孔
30 カバー部材
31 補助軸受部
32 隙間
33 第1の周溝部
34 潤滑流体保持空間
40 強磁性リング
42 ステータ構造
44 永久磁石
46 回転軸
48 ラビリンスシール
101 ヘリングボーン状のラジアル動圧溝
102 スパイラル状の補助溝

Claims (10)

  1. 一方側がベースプレートに対して相対的に固定され、他方側にフランジ部が設けられた固定シャフトと、
    前記固定シャフトの外周面に位置する第1のラジアル軸受面に対して第1の隙間を隔てて対向する第2のラジアル軸受面を有し、前記固定シャフトに対して相対的に回転可能に支持されたラジアル軸受構成部材と、
    前記ラジアル軸受構成部材の一方の端面に位置する第1のスラスト軸受面に対して、前記第1の隙間と連通した第2の隙間を隔てて対向する第2のスラスト軸受面を有し、前記ベースプレートに対して相対的に固定されたスラスト軸受構成部材と、
    前記ラジアル軸受構成部材に設けられ、前記第2の隙間と前記ラジアル軸受構成部材の他方の端面とフランジ部の一方の端面との間に形成された第3の隙間とを連通させるための連通孔と、
    前記第1の隙間、前記第2の隙間、前記第3の隙間および前記連通孔に連続的に充填された潤滑流体と、
    を備え、
    前記第1のラジアル軸受面又は前記第2のラジアル軸受面のいずれか一方における少なくとも一箇所にラジアル動圧溝が形成されてラジアル軸受部が設けられ、
    前記第1のスラスト軸受面又は前記第2のスラスト軸受面のいずれか一方にスラスト動圧溝が形成されてスラスト軸受部が設けられ、
    前記フランジ部と前記ラジアル軸受部との間における、前記第1のラジアル軸受面又は前記第2のラジアル軸受面のいずれか一方に前記潤滑流体を前記フランジ部側から前記ラジアル軸受部側に向かって昇圧する補助溝が形成された補助軸受部が設けられ、
    前記補助溝は前記ラジアル動圧溝より溝の深さが浅く、前記補助軸受部における前記第1の隙間の寸法は、前記ラジアル軸受部における前記第1の隙間の寸法以上であることを特徴とする流体動圧軸受。
  2. 前記ラジアル軸受部は前記補助軸受部に近接した第1のラジアル軸受部と、前記第1のラジアル軸受部と軸方向に離間した第2のラジアル軸受部とを有することを特徴とする請求項1記載の流体動圧軸受。
  3. 前記ラジアル動圧溝は半正弦波形、あるいはヘリングボーン状の形状を有し、前記補助溝はスパイラル状の形状を有することを特徴とする請求項1又は2記載の流体動圧軸受。
  4. 前記補助軸受部において、前記補助溝の端部は前記第3の隙間に連結していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  5. 前記ラジアル軸受構成部材における前記補助軸受部の内径は、前記ラジアル軸受部の内径以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  6. 前記補助軸受部と前記ラジアル軸受部との間に、前記第1のラジアル溝の深さ以上の深さの円周溝を有する周溝部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  7. 前記周溝部との境界における前記補助溝の端部と、前記周溝部との境界における前記ラジアル動圧溝の端部との少なくともいずれか一方は、前記周溝部に連結していることを特徴とする請求項6記載の流体動圧軸受。
  8. 前記補助軸受部と前記第1のラジアル軸受部とは連続的に設けられており、前記補助溝のピッチsと前記ラジアル動圧溝のピッチtとの間には、s=n*t(nは1以上の整数)の関係が成立することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の流体動圧軸受。
  9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の流体動圧軸受と、
    前記ラジアル軸受構成部材を含むロータ部を回転駆動させる駆動装置と、
    を備えることを特徴とするスピンドルモータ。
  10. 請求項9記載のスピンドルモータと、
    前記ロータ部の外周面に取り付けられ、前記駆動装置により前記ラジアル軸受構成部材と共に回転駆動される記録ディスクと、
    を備えることを特徴とする記録ディスク駆動装置。
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